Thủy triều là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan

Định nghĩa thủy triều

Thủy triều là hiện tượng dao động mực nước đại dương, biển, vịnh hoặc sông cửa biển theo chu kỳ thời gian, chủ yếu gây ra bởi lực hấp dẫn giữa Trái Đất với Mặt Trăng và Mặt Trời. Mặc dù lực hấp dẫn của cả hai thiên thể đều tham gia, Mặt Trăng đóng vai trò chi phối do khoảng cách gần hơn và tạo ra sự chênh lệch lực đáng kể trên các điểm khác nhau của Trái Đất.

Thủy triều là một biểu hiện của tương tác vật lý – thiên văn học và là một thành phần không thể thiếu trong chu trình vận động của nước biển. Không chỉ dừng lại ở việc dâng – rút mực nước, thủy triều còn ảnh hưởng đến dòng chảy ven bờ, hệ sinh thái, hoạt động tàu thuyền, nuôi trồng thủy sản, thiết kế cảng biển và ứng dụng trong khai thác năng lượng tái tạo.

Theo dữ liệu từ NOAA, thủy triều có thể xuất hiện ở mọi vùng nước lớn nhưng biên độ và tần suất thay đổi phụ thuộc vào vị trí địa lý, hình thái đáy biển và tương tác với các yếu tố khí tượng. Một số nơi chỉ có biên độ vài cm, trong khi nơi khác có thể lên đến hàng chục mét.

Cơ chế hình thành thủy triều

Thủy triều hình thành từ sự chênh lệch lực hấp dẫn của Mặt Trăng và Mặt Trời tác động lên Trái Đất, tạo ra các vùng phình nước (bulges) hướng về và ngược lại với Mặt Trăng. Trong khi Mặt Trời cũng tạo hiệu ứng tương tự, tác động của nó chỉ bằng khoảng 46% so với Mặt Trăng vì khoảng cách xa hơn rất nhiều.

Ngoài lực hấp dẫn, chuyển động quay của Trái Đất xung quanh trục cũng đóng vai trò trong việc tạo ra hai lần triều cao mỗi ngày tại hầu hết các khu vực. Khi Trái Đất quay, mỗi điểm trên bề mặt sẽ lần lượt đi qua hai vùng phình nước – tương ứng với hai lần triều dâng – và hai vùng lõm – tương ứng với triều rút.

Công thức lực hấp dẫn chi phối hiện tượng này: $F = G \cdot \frac{m_1 m_2}{r^2}$ trong đó $F$ là lực hấp dẫn giữa hai vật thể, $G$ là hằng số hấp dẫn, $m_1, m_2$ là khối lượng hai vật thể, và $r$ là khoảng cách giữa chúng. Sự chênh lệch nhỏ trong giá trị $r$ giữa phía gần và phía xa của Trái Đất tạo ra sự khác biệt về lực, từ đó hình thành lực thủy triều.

Phân loại thủy triều

Dựa vào đặc điểm chu kỳ và hình dạng dao động mực nước, thủy triều được phân thành ba dạng chính: nhật triều, bán nhật triều và thủy triều hỗn hợp. Mỗi loại có đặc trưng riêng và phân bố theo khu vực địa lý cụ thể. Dạng triều nào xuất hiện phụ thuộc vào tương tác giữa chu kỳ thiên văn, độ sâu biển, hình dạng bờ và dòng hải lưu.

Dưới đây là bảng so sánh ba dạng thủy triều phổ biến:

Loại thủy triều	Đặc điểm	Ví dụ khu vực
Nhật triều (diurnal)	Mỗi ngày chỉ có 1 lần triều cao và 1 lần triều thấp	Vịnh Mexico, Biển Đông
Bán nhật triều (semi-diurnal)	2 lần triều cao và 2 lần triều thấp mỗi ngày, gần bằng nhau	Bờ đông Bắc Mỹ, vịnh Bengal
Thủy triều hỗn hợp (mixed)	2 lần triều cao và thấp nhưng khác biên độ rõ rệt	Bờ tây Bắc Mỹ, biển Java

Trong thực tế, một số khu vực có sự chuyển tiếp giữa các loại triều theo mùa, thời tiết và các yếu tố động lực học đại dương. Do đó, việc đo đạc và phân tích dữ liệu triều tại từng điểm cụ thể đóng vai trò quan trọng trong nghiên cứu và ứng dụng.

Ảnh hưởng của vị trí thiên thể

Vị trí tương đối giữa Mặt Trăng, Mặt Trời và Trái Đất ảnh hưởng trực tiếp đến biên độ thủy triều. Khi ba thiên thể nằm thẳng hàng – xảy ra trong thời điểm trăng non (New Moon) hoặc trăng tròn (Full Moon) – lực hấp dẫn được cộng hưởng, gây ra hiện tượng triều cường (spring tide) với biên độ lớn.

Ngược lại, khi Mặt Trăng và Mặt Trời nằm vuông góc với Trái Đất (giai đoạn trăng lưỡi liềm đầu và cuối), lực hấp dẫn từ hai nguồn triệt tiêu một phần lẫn nhau, tạo ra hiện tượng triều kém (neap tide) với biên độ nhỏ hơn trung bình. Sự biến thiên này diễn ra theo chu kỳ nửa tháng, gọi là chu kỳ triều bán nguyệt.

Biên độ mực nước theo thời gian có thể mô phỏng bằng công thức sóng điều hòa: $h(t) = H_0 + A \cdot \cos(\omega t + \phi)$ trong đó $H_0$ là mực nước trung bình, $A$ là biên độ triều, $\omega$ là tần số góc và $\phi$ là pha ban đầu. Đây là nền tảng cho các mô hình tính toán dao động mực nước trong các hệ thống dự báo hiện đại.

Để theo dõi và tính toán các hiện tượng này, dữ liệu thiên văn từ NASA và các tổ chức như ESA được tích hợp vào phần mềm hải đồ và bản đồ dự báo thủy triều toàn cầu.

Vai trò của hình dạng bờ biển và địa hình đáy biển

Địa hình bờ biển và cấu trúc đáy biển có vai trò quyết định trong việc tăng cường hoặc làm suy giảm biên độ thủy triều. Tại những khu vực có vịnh hẹp, đáy biển dốc và hình dạng giống phễu, hiện tượng cộng hưởng thủy triều xảy ra mạnh mẽ hơn, dẫn đến biên độ dao động mực nước rất lớn. Vịnh Fundy (Canada) là ví dụ điển hình, nơi biên độ triều có thể vượt quá 16 mét – cao nhất thế giới.

Nguyên lý cộng hưởng xảy ra khi thời gian cần để sóng triều di chuyển vào và ra khỏi một vùng nước gần bằng với chu kỳ dao động tự nhiên của khu vực đó. Khi điều kiện này được đáp ứng, dao động sẽ được khuếch đại liên tục qua các chu kỳ. Một số khu vực khác như vịnh Bristol (Anh), vịnh Cook Inlet (Alaska) và vịnh Hangzhou (Trung Quốc) cũng có biên độ triều rất lớn vì nguyên nhân tương tự.

Bảng dưới đây so sánh ảnh hưởng của địa hình đến biên độ triều tại một số địa điểm:

Địa điểm	Biên độ triều trung bình	Đặc điểm địa hình
Vịnh Fundy (Canada)	~16.5 m	Vịnh hẹp, đáy cạn, hình phễu
Vịnh Cook Inlet (Alaska)	~10.0 m	Bờ dốc đứng, địa hình sâu nhanh
Vịnh Mexico	<1.0 m	Bờ thoai thoải, nước nông

Ứng dụng trong thực tiễn

Thủy triều đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực đời sống và kinh tế biển. Đầu tiên là trong giao thông hàng hải: việc điều động tàu ra vào cảng, đặc biệt với tàu có tải trọng lớn, phụ thuộc chặt chẽ vào mực nước do thủy triều quyết định. Các cảng biển lớn đều có hệ thống đồng hồ triều và bảng lịch triều chính xác đến từng phút.

Trong ngành nuôi trồng thủy sản, thủy triều quyết định việc cấp thoát nước cho các ao đìa ven biển, ảnh hưởng đến điều kiện sống của sinh vật nuôi như hàu, sò, rong biển. Những vùng có thủy triều mạnh thường thuận lợi cho việc loại bỏ bùn, cung cấp oxy và thay nước tự nhiên.

Một ứng dụng đáng chú ý khác là khai thác năng lượng thủy triều (tidal energy). Dòng chảy do chênh lệch mực nước được dẫn qua các tua-bin để phát điện – hình thức năng lượng tái tạo bền vững, ít phát thải. Một số nhà máy điện thủy triều nổi bật:

• La Rance (Pháp): nhà máy điện thủy triều đầu tiên trên thế giới, công suất ~240 MW
• Shiwa Lake (Hàn Quốc): nhà máy điện triều lớn nhất thế giới, công suất ~254 MW
• Annapolis Royal (Canada): vận hành bằng dòng chảy triều từ vịnh Fundy

Xem thêm tại: IEA – Ocean Energy Technologies

Biến động thủy triều theo mùa và khí hậu

Ngoài các yếu tố thiên văn và địa hình, thủy triều cũng bị ảnh hưởng bởi điều kiện khí quyển và biến đổi khí hậu. Những thay đổi này không làm biến mất chu kỳ triều, nhưng có thể thay đổi biên độ, thời điểm và tác động tổng hợp với các hiện tượng thời tiết cực đoan.

Trong các sự kiện El Niño – Southern Oscillation (ENSO), mực nước biển tại một số khu vực có thể tăng cao bất thường, làm cộng hưởng với triều cường và gây ngập nghiêm trọng. Ngược lại, trong hiện tượng La Niña, mực nước có thể thấp hơn trung bình gây cản trở giao thông thủy.

Một hệ quả khác là mực nước biển dâng do băng tan và nhiệt độ tăng, khiến các đô thị ven biển trở nên dễ tổn thương hơn khi triều lên. Kết hợp với bão mạnh và nước biển dâng do áp suất thấp (storm surge), nguy cơ ngập lụt tại các thành phố như Jakarta, Manila, Bangkok và TP.HCM đang ngày càng hiện hữu.

Các mô hình và công nghệ dự báo thủy triều

Hiện nay, các mô hình dự báo thủy triều hiện đại tích hợp dữ liệu thiên văn, thủy văn và địa hình để tính toán chính xác mực nước theo thời gian. Một trong các mô hình toàn cầu phổ biến là TPXO của Đại học Bang Oregon, sử dụng dữ liệu vệ tinh altimetry để mô phỏng dao động mực nước đại dương với sai số chỉ vài cm.

Các công nghệ hỗ trợ bao gồm:

• GNSS (định vị vệ tinh) để theo dõi vị trí mực nước biển tại thời gian thực
• Radar bờ biển (coastal radar) đo dòng chảy và độ cao sóng
• AI/ML trong phân tích dữ liệu lịch sử và dự báo xu hướng triều bất thường
• Ứng dụng điện thoại cung cấp thông tin lịch triều cho người dân và ngành nghề phụ thuộc biển

Các nền tảng như NOAA Tides & Currents cung cấp bản đồ thời gian thực và dữ liệu dự báo cho hàng ngàn trạm ven biển trên toàn thế giới.

Tài liệu tham khảo

1. NOAA Ocean Service. Tides & Water Levels Tutorial. https://oceanservice.noaa.gov/education/tutorial_tides/
2. European Space Agency. Tidal Forces and Satellite Altimetry. https://www.esa.int/Applications/Observing_the_Earth/Sea_level/Tides
3. IEA – International Energy Agency. Ocean Energy Technologies. https://www.iea.org/reports/ocean-energy-technologies
4. NASA Earth Observatory. Understanding Tides. https://earthobservatory.nasa.gov/features/Tides
5. Oregon State University. TPXO Global Tidal Models. https://volkov.oce.orst.edu/tides/global.html
6. NOAA Tides & Currents. https://tidesandcurrents.noaa.gov/