Trạm đo mực nước biển và phao đo sóng: đo thuỷ triều, sóng thần, sóng độc

Trạm đo mực nước biển ghi lại độ cao mặt biển từng phút ở một điểm cố định trên bờ, còn phao đo sóng nổi ngoài khơi ghi chiều cao, chu kỳ và hướng sóng. Hai loại trạm này cho biết thuỷ triều lên xuống, nước dâng do bão, sóng thần đang lan tới và mực nước biển dâng dần qua hàng chục năm. Cái khó là biển luôn chuyển động, nên phải tách được tín hiệu thật khỏi sóng gợn, đất lún và cả máy hỏng.

Trạm đo mực nước: thước kẻ cắm xuống biển

Trạm đo mực nước truyền thống là một cái giếng tĩnh: ống đứng thông với biển qua một lỗ nhỏ ở đáy. Sóng vỗ bên ngoài nhưng mặt nước trong ống chỉ lên xuống chậm theo thuỷ triều, vì lỗ nhỏ "lọc" bớt dao động nhanh. Một phao nổi trong ống nối với bút ghi hoặc bộ mã hoá, vẽ ra đường cong triều. Ngày nay nhiều trạm dùng cảm biến áp suất đặt dưới nước, hoặc ra-đa gắn trên cầu cảng chiếu xuống mặt nước, đo khoảng cách chính xác đến milimét.

Đi kèm luôn có một cột thước nước sơn vạch để người trực đọc bằng mắt và đối chiếu với máy. Trạm còn phải gắn với các mốc độ cao trên đất liền, được đo kiểm định kỳ, vì nếu không biết cái cột thước đứng trên cái gì thì con số mực nước không có ý nghĩa. Ở Việt Nam, độ cao "so với mực nước biển" trên bản đồ lâu nay tính theo mốc Hòn Dấu ở Hải Phòng, xác định từ số liệu triều nhiều năm.

Mỗi đường cong mực nước chứa những gì

Một trạm triều tốt vì vậy là trạm chạy liên tục rất lâu. Kho dữ liệu Mực nước biển trung bình thường trực (PSMSL), thành lập năm 1933 và đặt tại Liverpool, Anh, lưu chuỗi số liệu của hơn hai nghìn trạm trên thế giới. Một vài nơi như Amsterdam hay Brest có ghi chép mực nước từ thế kỷ 18.

Bài toán "đất lún hay biển dâng"

Trạm triều đo mực nước so với chính cái cầu cảng nó gắn vào. Nếu đất dưới cảng lún xuống, máy sẽ thấy "biển dâng" dù biển không đổi. Ngược lại, ở những vùng đất đang nâng lên sau khi băng hà rút đi, như một số vùng Bắc Âu, trạm triều có khi lại thấy mực nước hạ xuống.

Vì vậy các trạm quan trọng được gắn thêm trạm định vị vệ tinh độ chính xác cao để đo đất lên xuống bao nhiêu. Từ năm 1992, vệ tinh đo cao như TOPEX/Poseidon và loạt Jason, Sentinel-6 đo mặt biển trên toàn cầu từ quỹ đạo, độc lập với đất liền. Theo NASA và NOAA, mực nước biển trung bình toàn cầu đã dâng khoảng 3 mm mỗi năm tính từ đầu thập niên 1990 và tốc độ đang nhanh dần.

Với đồng bằng sông Cửu Long, câu chuyện đất lún đặc biệt quan trọng. Một số nghiên cứu cho thấy nhiều nơi trong đồng bằng lún trung bình khoảng một cm mỗi năm, có chỗ nhiều hơn, chủ yếu do khai thác nước ngầm. Con số này lớn hơn tốc độ dâng của nước biển toàn cầu, nghĩa là với người dân ở đó, đất lún có thể là phần lớn của "nước lên". Chỉ khi đặt trạm triều cạnh trạm đo lún, người ta mới tách được hai phần này.

Phao đo sóng: ngồi giữa biển mà đếm sóng

Phao đo sóng phổ biến có dạng quả cầu đường kính chưa tới một mét, được neo ngoài khơi. Bên trong có cảm biến gia tốc và con quay; phao nhô lên hụp xuống theo mặt nước, máy tính trong phao tính ra độ cao, chu kỳ và hướng sóng rồi gửi về bờ qua vô tuyến hoặc vệ tinh. Những phao lớn hơn, như các phao của Trung tâm Phao dữ liệu quốc gia Mỹ (NDBC), mang thêm cảm biến gió, áp suất, nhiệt độ không khí và nước.

"Độ cao sóng có nghĩa" là gì

Bản tin biển hay nói "sóng cao 2 đến 3 mét". Con số đó thường là độ cao sóng có nghĩa: trung bình của một phần ba số con sóng cao nhất trong một khoảng thời gian. Định nghĩa này ra đời vì nó gần với cảm nhận của người đi biển. Nhưng có nghĩa là trong số đó, vẫn sẽ có những con sóng cao hơn nhiều, và con sóng lớn nhất trong vài giờ có thể cao gần gấp đôi độ cao sóng có nghĩa.

Con sóng Draupner: khi một con số bị nghi là lỗi

Thuỷ thủ kể về "sóng độc", những bức tường nước bất ngờ cao hơn hẳn mọi sóng xung quanh, từ rất lâu. Nhưng giới khoa học từng xem đó là chuyện phóng đại, vì mô hình thống kê sóng khi đó cho thấy những con sóng như vậy cực hiếm.

Ngày 1 tháng 1 năm 1995, máy đo bằng tia laser trên giàn khoan Draupner ở Biển Bắc ghi được một con sóng cao khoảng 25,6 m, trong khi độ cao sóng có nghĩa lúc đó chỉ khoảng 12 m. Câu hỏi đầu tiên là máy có hỏng không. Nhưng thiết bị hoạt động bình thường trước và sau đó, giàn khoan có hư hại nhẹ đúng lúc ấy, và đường ghi có hình dạng hợp lý. Con sóng Draupner trở thành bằng chứng đo đạc đầu tiên được chấp nhận rộng rãi cho sóng độc, mở ra cả một hướng nghiên cứu mới. Sau đó, các dự án dùng ảnh ra-đa vệ tinh còn thấy sóng độc xuất hiện thường hơn những gì mô hình cũ dự đoán.

Bài học ở đây quen thuộc với mọi trạm quan trắc: một số đo lệch hẳn khỏi phân bố thường thấy cần được kiểm tra máy, đối chiếu dấu vết khác, chứ không tự động xoá. Có lúc nó là lỗi, có lúc nó là khám phá.

Những trạm đo nằm dưới đáy và trôi giữa đại dương

• Trạm cảnh báo sóng thần DART: một máy đo áp suất đặt dưới đáy biển sâu hàng nghìn mét, nhạy đến mức thấy được mặt biển phía trên thay đổi khoảng một cm. Khi phát hiện bất thường, nó gửi tín hiệu âm thanh lên phao nổi, phao chuyển tiếp qua vệ tinh. Mạng lưới này được mở rộng mạnh sau thảm hoạ sóng thần Ấn Độ Dương năm 2004.
• Phao trôi Argo: khoảng bốn nghìn phao nhỏ trôi khắp đại dương, mỗi phao định kỳ lặn xuống khoảng 2.000 m rồi nổi lên, đo nhiệt độ và độ mặn suốt đường đi, gửi số liệu qua vệ tinh rồi lại lặn. Nhờ Argo, người ta biết đại dương đang tích nhiệt ra sao.
• Trạm hải văn ven bờ: ở Việt Nam, các trạm hải văn ở cửa biển và trên đảo, như trạm Hòn Dáu ở Hải Phòng, đo mực nước, sóng, nhiệt độ và độ mặn nước biển, thuộc mạng lưới của cơ quan khí tượng thuỷ văn quốc gia.

Phao cũng có kẻ thù

Phao giữa biển đối mặt với bão, hà bám, ăn mòn, và cả con người. Các tổ chức vận hành phao trên thế giới nhiều lần cho biết phao bị tàu va, bị cắt dây neo hoặc bị lấy mất pin, tấm năng lượng Mặt Trời. Một phao mất tín hiệu có thể để lại khoảng trống số liệu đúng vùng biển cần theo dõi trước mùa bão. Vì thế nhiều nước có quy định bảo vệ phao quan trắc, và người đi biển được khuyên không neo tàu vào phao.

Góc nhìn hôm nay: tự đọc số liệu biển

Nhiều số liệu biển được công khai. Trang của NDBC cho xem số đo phao gần như theo thời gian thực. Kho PSMSL cho tải chuỗi mực nước trung bình theo tháng, theo năm của từng trạm, có thể tự vẽ đường xu hướng bằng bảng tính. Ở Việt Nam, bảng thuỷ triều được cơ quan khí tượng thuỷ văn và các đơn vị hải văn công bố, rất hữu ích cho người đi biển, người nuôi trồng ven bờ.

Khi ra biển, có thể tập quan sát như một trạm đo: ghi giờ nước lớn, nước ròng mấy ngày liên tiếp và đối chiếu với tuần trăng. Sau vài ngày sẽ thấy giờ triều lùi dần mỗi ngày, đúng như nhịp của Mặt Trăng. Và khi thấy một quả phao màu vàng ngoài khơi, hãy nhớ có thể nó đang gửi về bờ những con số giúp ai đó quyết định có ra khơi hay không.