Walter Munk - Người sáng lập ngành hải dương học hiện đại

Walter Munk đã cách mạng hóa sự hiểu biết của chúng ta về đại dương và chuyển động quay của Trái đất. Ông kết hợp các quan sát, lý thuyết và quy tắc thực nghiệm để giải quyết những vấn đề cơ bản, mang tính thực tiễn liên quan đến sóng, thủy triều, sự pha trộn và dòng chảy đại dương. Những công trình nghiên cứu của ông đã hỗ trợ quân Đồng minh đổ bộ lên các bãi biển một cách thuận lợi trong cuộc Chiến tranh Thế giới Thứ hai. Từ năm 1968, ông là thành viên của JASON – một nhóm các nhà khoa học ưu tú là cố vấn cho Chính phủ Mỹ về vấn đề quân sự.

Munk là người hòa đồng và nhạy bén. Ông có khả năng nhận diện và đặt ra những câu hỏi khoa học quan trọng, ngay cả khi vấn đề đó chỉ vừa mới xuất hiện hoặc bắt đầu trở nên cấp thiết. Hàng chục năm sau, nhiều câu hỏi ông đặt ra vẫn là tâm điểm trong lĩnh vực nghiên cứu hải dương học và địa vật lý.

Munk sinh ra trong một gia đình làm nghề ngân hàng ở Vienna (Áo) vào năm 1917. Sau khi kế tục sự nghiệp của gia đình và làm việc tại một ngân hàng ở New York, cuộc đời ông rẽ sang hướng khác khi ông quyết định theo cô bạn gái đến La Jolla, bang California (Mỹ) vào năm 1939. Tại đây, ông bắt đầu quan tâm đến lĩnh vực vật lý biển – ngành khoa học nghiên cứu các quá trình vật lý trong lòng đại dương. Ông tình cờ gặp Harald Sverdrup, Giám đốc Viện Hải dương học Scripps, người đã trở thành cố vấn và bạn bè thân thiết của ông. Nhờ sự hỗ trợ của Sverdrup, ông hoàn thành chương trình đào tạo thạc sĩ tại Viện Công nghệ California và bảo vệ thành công luận án tiến sĩ tại Viện Hải dương học Scripps vào năm 1947. Viện Hải dương học Scripps cũng là nơi Munk gắn bó trong suốt sự nghiệp sau này.

Sau khi Đức Quốc xã chiếm đóng Áo, Munk đã nộp đơn xin nhập quốc tịch Mỹ và cộng tác chặt chẽ với Quân đội Mỹ để phát triển các kỹ thuật và công nghệ nhằm hỗ trợ quân đội đổ bộ lên bờ biển thuận lợi trong các cuộc chiến tranh.

Vài tháng trước khi diễn ra cuộc đổ bộ của quân Đồng minh lên bờ biển Bắc Phi vào tháng 11/1942, Munk và Sverdrup tại Viện Hải dương học Scripps lo ngại những đợt sóng biển lớn sẽ khiến việc đưa quân lên bờ gặp khó khăn, thậm chí có thể thất bại và gây nguy hiểm cho các binh sĩ. Để giải quyết vấn đề trên, họ đã phát triển phương pháp Sverdrup–Munk, kết hợp giữa lý thuyết về sóng và các quan sát thực tế để dự đoán tình trạng sóng biển chính xác hơn. Phương pháp này đã giúp cuộc đổ bộ lên bờ biển Bắc Phi diễn ra an toàn. Sau đó, nó được cải tiến và tiếp tục áp dụng cho các cuộc đổ bộ lớn khác tại Normandy và khu vực Thái Bình Dương trong Thế chiến II.

Vào năm 1950, Munk đã công bố bài báo đầu tiên và quan trọng trên tạp chí AMS Journals về sự lưu thông trên quy mô lớn của các đại dương. Ông đã dung hòa các ý tưởng khác biệt của Sverdrup và nhà khoa học người Mỹ Henry Stommel thành một lý thuyết nền tảng về sự lưu thông đại dương do gió thúc đẩy. Cùng với nhà toán học ứng dụng George Carrier, ông tìm ra mối liên hệ giữa các dòng hải lưu – chẳng hạn như dòng chảy Gulf Stream – và những nguyên lý toán học của động lực học chất lỏng.

Năm 1951, ông xuất bản một bài báo khác trên tạp chí Tellus A: Dynamic Meteorology and Oceanography, trong đó nêu rõ lý thuyết của mình không thể áp dụng ở Nam Đại Dương do địa hình đáy biển phức tạp. Những khám phá của ông vẫn là chủ đề nghiên cứu chính trong lĩnh vực hải dương học ngày nay.

Không lâu sau, Munk chuyển hướng sự quan tâm của mình sang lĩnh vực địa vật lý. Ông chứng minh rằng một lĩnh vực nghiên cứu từng bị xem nhẹ trong thiên văn học, bao gồm những biến động nhỏ của vị trí trục quay và tốc độ quay của Trái đất, có thể cung cấp những thông tin quan trọng cho các ngành liên quan đến khoa học Trái đất. Cùng với cộng sự Gordon MacDonald, ông đã viết cuốn sách kinh điển The Rotation of the Earth (Chuyển động quay của Trái đất) vào năm 1960.

Trong thập niên 1950, Munk là nhân vật chủ chốt trong Dự án Mohole, một nỗ lực táo bạo nhằm khoan xuyên qua lớp vỏ Trái đất để lấy mẫu từ lớp manti, ở ranh giới gọi là “vùng gián đoạn Mohorovičić”. Munk không bao giờ che giấu sự thật rằng dự án đã thất bại. Ông thừa nhận mình chưa dành đủ sự chú ý cho dự án, trong khi các nhà sử học tin rằng dự án không thành công một phần là do gặp phải các rắc rối liên quan đến chính trị và lợi ích của ngành công nghiệp dầu mỏ.

Không nản lòng, Munk tiếp tục quay lại nghiên cứu các quá trình và hiện tượng xảy ra trong đại dương trên quy mô lớn. Năm 1966, ông công bố một bài báo với tựa đề “Quy luật vùng nước sâu” trên tạp chí Deep Sea Research and Oceanographic Abstracts. Trong đó, ông giải thích rằng nhiệt độ và độ mặn trong các tầng nước sâu được điều chỉnh từ sự cân bằng giữa hiện tượng nước trồi (upwelling) và quá trình pha trộn giữa các lớp nước. Hiện tượng nước trồi là quá trình lớp nước ở gần đáy biển, có nhiệt độ lạnh và giàu chất dinh dưỡng di chuyển lên bề mặt đại dương, thúc đẩy sự phát triển của tảo và sinh vật phù du. Điều này thường xảy ra khi các dòng hải lưu hoặc gió thổi làm lớp nước bề mặt di chuyển ra xa bờ biển, tạo khoảng trống để lớp nước từ tầng sâu dâng lên thay thế.

Vào thập niên 1960, Munk và cộng sự người Anh David Cartwright đã hồi sinh lĩnh vực nghiên cứu về thủy triều, một lĩnh vực gần như bị lãng quên trong thế kỷ 20 nhưng hiện nay đóng vai trò rất quan trọng, giúp chúng ta hiểu rõ hơn về các yếu tố thúc đẩy sự pha trộn của các lớp nước trong lòng đại dương.

Năm 1970, các nhà hải dương học bắt đầu thu thập dữ liệu về nhiệt độ nước biển để giải thích hiện tượng sóng nội (internal waves), xảy ra giữa các lớp nước có mật độ khác nhau. Munk cho rằng, không giống như các sóng do gió tạo ra trên mặt biển, sóng nội không có chu kỳ rõ ràng, cũng như không có hướng truyền nhất định. Ông và cộng sự Chris Garrett đã xây dựng một mô hình toán học liên quan đến năng lượng của loại sóng này gọi là Phổ Garrett–Munk (GM). Đây là một lý thuyết đơn giản, giúp mô tả cách thức các sóng nội lan truyền và tương tác với nhau.

Bắt đầu từ giữa thập niên 1970, Munk nghiên cứu sâu hơn về sự lan truyền âm thanh dưới nước, một lĩnh vực kết hợp nhiều mối quan tâm của ông như: sóng biển, công nghệ phát hiện tàu ngầm, phân tầng đại dương, phân tích dữ liệu theo chuỗi thời gian, và thử nghiệm các thiết bị mới trên biển. Ông phát hiện khi nhiệt độ nước tăng, các phân tử nước chuyển động nhanh hơn, khiến âm thanh di chuyển nhanh hơn. Từ đó, ông đã phát triển một công nghệ đi trước thời đại gọi là “chụp cắt lớp âm thanh đại dương”, giúp đo nhiệt độ đại dương và dòng chảy trên các vùng nước rộng lớn thông qua âm thanh truyền trong nước biển.

Nguồn: Nature