chương 1 của luận văn. 14 CHƯƠNG 2: VAI TRÒ CỦA SON KHÍ TRONG TẦNG ĐỐI LƯU VÀ KỸ THUẬT LIDAR 2. Cấu trúc khí quyển và vai trò của mây Ti 2.1 Cấu trúc khí quyển Khí quyển là lớp vật chất ngay trên bề mặt của Trái đất với ranh giới dưới là thuỷ quyển, thạch quyển và ranh giới trên là khoảng không giữa các hành tinh. Khí quyển Trái đất được hình thành do sự thoát hơi nước, các chất khí từ thuỷ quyển và thạch quyển.
Thời kỳ đầu, khí quyển chủ yếu gồm hơi nước, amoniac, metan, các loại khí trơ và hydro. Dưới tác dụng phân huỷ của tia sáng Mặt trời hơi nước bị phân huỷ thành oxy và hydro. Oxy tạo ra tác động với amoniac và metan tạo ra khí nitơ và cácboníc. Quá trình tiếp diễn, một lượng hidro nhẹ di chuyển vào khoảng không vũ trụ, khí quyển còn lại chủ yếu là hơi nước, nitơ, cácboníc, một ít oxy.
Thực vật xuất hiện trên Trái đất cùng với quá trình quang hợp đã tạo nên một lượng lớn oxy và làm giảm đáng kể nồng độ CO2 trong khí quyển. Sự phát triển mạnh mẽ của động thực vật trên Trái đất cùng với sự gia tăng bài tiết, phân huỷ xác chết động thực vật, phân huỷ yếm khí của vi sinh vật đã làm cho nồng độ khí N2 trong khí quyển tăng lên nhanh chóng, để đạt tới thành phần khí quyển hiện nay [1, 2]. Khí quyển Trái đất có dạng cầu đối xứng bao quanh Trái đất và được giữ lại bởi lực hấp dẫn của Trái đất với thành phần bao gồm: son khí (gồm tất cả các hạt vật chất như: sương mù, bụi, tinh thể nước…), phân tử khí (N2, O2, CO2, H2O…) và các nguyên tử kim loại (Na, K, Ba, Fe…) [1, 2]. Trong đó, các phân tử khí chiếm phần khối lượng chủ yếu của khí quyển, bao gồm có nitơ (78,09% theo thể tích) và ôxy (20,95%), với một lượng nhỏ agon (0,93%), điôxít cacbon (dao động, khoảng 0,038%)… và đóng vai trò chi phối trong các hiện tượng, quá trình của thời tiết, khí hậu.
Thành phần và nồng độ cụ thể của các phân tử trong khí quyển Trái đất được thể hiện trong bảng và biểu đồ sau đây: 15 Bảng 2.1: Thành phần và nồng độ chất khí trong khí quyển Trái đất [13, 1]. Tên chất khí Nồng độ (%) PPVM Nitơ (N2) 78,08 780900 Thành phần chủ Ôxy (O2) 20,95 209500 yếu Argon (Ar) 0,93 9300 CO2 0,038 380 Neon (Ne) 0,0018 18 Hêli (He) 0,00052 5,2 Mêtan (CH4) 0,0002 2 Krypton (Kr) 0,00011 1,1 Thành phần thứ Lưu huỳnh oxít (SO2) 0,0001 1 yếu Hydro (H2) 0,00005 0,5 Đinitơ oxít (N2O) 0,00005 0,5 Xenon (Xe) 0,000009 0,09 Ozone (O3) 0,000007 0,07 Nitơ đioxít (NO2) 0,000002 0,02 - Hơi nước có nồng độ thay đổi tối đa đến 4% Hình 2.1: Biểu đồ mô tả tỉ lệ các chất khí trong khí quyển Trái Đất [13, 1]. 16 Bầu khí quyển không có ranh giới rõ ràng với khoảng không vũ trụ nhưng mật độ không khí của bầu khí quyển giảm dần theo độ cao. Ba phần tư khối lượng khí quyển nằm trong khoảng 11 km đầu tiên của bề mặt hành tinh.
Đường Cacman, tại độ cao 100 km trên bề mặt, cũng được sử dụng như là mốc ranh giới giữa khí quyển Trái Đất và khoảng không vũ trụ [13].2 Quá trình hình thành và vai trò của mây Ti Mây là tập hợp các hạt vật chất với mật độ lớn được tạo thành do sự ngưng kết của thành phần trung gian là nước hoặc tinh thể băng hoặc cả 2 dạng này. Nước hoặc tinh thể băng được tạo thành khi dưới tác dụng của năng lượng bức xạ Mặt trời, hơi nước từ biển, hồ, sông bốc hơi và biến thành hơi nước và đi vào trong không khí. Khi hơi nước càng lên cao nhiệt độ của nó càng giảm và chịu áp suất càng nhỏ. Nó dễ dàng ngưng tụ thành những giọt nước lớn dần khi gặp những hạt như bụi, khói …, được gọi là các hạt nhân ngưng tụ và kết đông thành pha rắn khi nhiệt độ dưới nhiệt độ đông đặc.
Quá trình tập hợp khối vật chất có mật độ cao có thể là giọt dạng lỏng ở phân tầng dưới hoặc là tinh thể ở phân tầng cao có nhiệt độ thấp tạo thành mây [1, 2]. Hình ảnh quá trình tạo thành mây có thể được thể hiện trong Hình 2. sau đây 1800 m Nhiệt độ: 15oC Điểm sương: 15oC 900 m Nhiệt độ: 24oC Điểm sương: 15oC Mặt đất Nhiệt độ: 33oC Điểm sương: 15oC Hình 2.2: Mô tả sự hình thành mây: khi không khí càng lên cao nhiệt độ càng giảm. Mây hình thành khi hơi nước lạnh bên dưới điểm sương [14] 17 Mây tồn tại ở các độ cao khác nhau phần bố từ 1 km tới 25 km trong khí quyển trên bề mặt Trái đất có thể nhìn thấy được bằng mắt thường và tồn tại trong khoảng thời gian hàng phút hoặc lâu tới hàng tháng.
Các đám mây bao phủ từ 60% tới 70% diện tích bề mặt Trái đất. Sự tồn tại của các đám mây giữ một vai trò quan trọng trong hình thái khí hậu toàn cầu bởi sự tồn tại của chúng ảnh hưởng tới sự hấp thụ, phản xạ bức xạ Mặt trời và đóng góp chính trong hiệu ứng nhà kính, cũng như quyết định lượng nước luân chuyển trong chu trình bay hơi và gây mưa [1, 2]. Hình dáng, kích thước, độ cao, bề dày và trạng thái tự nhiên của một đám mây và tổng thể các đám mây hình thành trong cùng một khoảng thời gian tại một khu vực sẽ phụ thuộc vào những điều kiện tạo thành. Cho nên những đám mây sẽ thể hiện bản chất của những quá trình lý hóa khác nhau xảy ra trong khí quyển.
Khả năng nhận biết những loại mây khác nhau và hiểu được điều kiện kết hợp giữa chúng cho phép dự báo các biến chuyển của thời tiết tương lai [1, 2]. Mặc dù hình dạng của các đám mây là vô cùng phong phú, nhưng trong ngành khí tượng học phân chúng thành các loại khác nhau cơ bản như sau. Những đám mây được chia thành 3 nhóm theo những nét đặc trưng riêng biệt và độ cao phần bố của chúng so với mực nước biển. Đó là mây tầng cao, mây tầng trung và mây tầng thấp.2 dưới đây cho thấy độ cao của những đám mây so với mặt nước biển thay đổi phụ thuộc vào vĩ độ và vị trí của chúng.
Nguyên nhân chủ yếu của sự thay đổi này đó là do sự khác nhau về nhiệt độ giữa các vùng này.2: Phân nhóm các tầng mây chủ yếu [15, 2]. Nhóm mây Vùng nhiệt đới Vùng ôn đới Vùng cực Tầng cao 6 đến 18km 5 đến 13km 3 đến 8km Tầng trung 2 đến 8km 2 đến 7km 2 đến 4km Tầng thấp Dưới 2km Dưới 2km Dưới 2km Trong Bảng 2. 3 chúng tôi đưa ra bảng phân hạng mây quốc tế theo hình dạng bề ngoài và độ cao của mây có vai trò ảnh hưởng tới khí hậu của Trái đất. Với mục đích là dự đoán những thay đổi trong hệ thống khí hậu thì yêu cầu cần phải theo dõi và nâng cao sự hiểu biết về sự phân bố toàn cầu của các loại mây cũng như các đặc 18 trưng vĩ mô và vi mô của chúng cũng như những tác động của mây tới khí hậu khu vực, khí hậu toàn cầu.3: Phân hạng mây quốc tế theo hình dạng và độ cao của mây [15, 1, 2].
Hạng mây Độ cao trung bình Ký hiệu chân mây ở vĩ độ Tên gọi bằng tiếng việt Tiếng La tinh trung bình (km) Họ mây tầng thấp (độ cao chân mây dưới 2 km) Mây tầng - tích Stratocumulus Sc 0,3 - 1,5 Mây tầng Stratus St 0,05 - 0,5 Mây vũ - tầng Nimbostratus Ns 0,1 - 1,0 Họ mây phát triển thẳng đứng (độ cao chân mây dưới 2 km) Mây tích Cumulus Cu 0,3 - 1,5 Mây vũ - tích Cumulonimbus Cb 0,4 - 1,0 Họ mây tầng trung (độ cao chân mây 2-6 km) Mây trung - tích Altocumulus Ac 2-6 Mây trung - tầng Altostratus As 3-5 Họ mây tầng trên (trên 6 km) Mây Ci Cirrus Ci 7 - 10 Mây Ti- tích Cirrocumulus Cc 6-8 Mây Ti- tầng Cirrotratus Cs 6-8 Việc nghiên cứu về cấu trúc mây cũng như mối liên hệ giữa chúng và khả năng dự đoán sự biến đổi khí hậu trong tương lai là vấn đề phức tạp bởi hai lý do cơ bản. Thứ nhất, chúng ta biết quá trình hình thành các đám mây là rất nhanh, quá trình đó diễn ra trong thời gian ngắn và không gian mang đặc trưng địa phương bởi thế nó mang các đặc trưng thay đổi của tự nhiên khu vực. Thứ hai, tác nhân gây ra từ các quá trình tạo bởi con người ngày càng nhiều và ảnh hưởng trực tiếp tới khí hậu của Trái đất. Bởi vậy chúng ta cần nghiên cứu tất cả cơ chế của sự thay đổi khí hậu do nguyên nhân từ các quá trình hóa lý tác động tới sự hình thành và biến mất của các đám mây.[2] 19 Trong các đối tượng được nghiên cứu thuộc tầng khí quyển của Trái đất, đặc biệt là tầng đối lưu, thì mây là yếu tố được đặc biệt chú ý và được nghiên cứu nhiều nhất.
Những kết quả nghiên cứu đó có tính thống kê cho phép sử dụng trong nhiều lĩnh vực ứng dụng khác nhau. Sự hiểu biết về tầng khí quyển bao quanh Trái đất cũng như về mây cho tới thời điểm hiện tại là khá đầy đủ cho phép chúng ta có thể dự báo sự thay đổi thời tiết mang tính địa phương cũng như trên phạm vi toàn cầu trong một thời gian dài (hiện nay theo mô hình dự báo của NASA có thể dự báo thời tiết trước 32 tháng) [1, 2, 15]. Quan sát mây trong ngành Khí tượng là cực kỳ quan trọng trong việc dự báo thời tiết phục vụ hoạt động của con người trong đó có hoạt động liên quan mật thiết là vận chuyển đường không và đường thủy…[1]. Chương trình quan sát mây bao gồm: phân định dạng mây, lượng mây tổng quan, lượng mây tầng thấp và mây phát triển thẳng đứng, vị trí phân bố tầng mây theo độ cao… Để phân định đúng dạng mây cần Atlat mây chuyên dụng.
Lượng mây tổng quan ước lượng bằng mắt hoặc bằng ảnh chụp vệ tinh. Trong giới hạn luận văn, chúng tôi mô tả ngắn gọn về hình dạng các loại mây, đặc điểm của các loại mây thường gặp và trình bày chi tiết hơn về mây Ti tầng cao (hình dạng, vị trí phân bố vai trò của lớp mây Ti tới tầng khí quyển và các vấn đề khí hậu cũng như quá trình hình thành lớp mây này) [1, 2]. Trong tầng đối lưu, tầng khí quyển tính từ mặt đất lên độ cao khoảng 18 km, sự hiện diện và vai trò của các lớp mây đối với Trái đất là rất quan trọng.