NGUYỄN VĂN THẮNG GIÁO TRÌNH VẬT LÝ KHÍ QUYỂN NHÀ XUẤT BẢN TÀI NGUYÊN-MÔI TRƯỜNG VÀ BẢN ĐỒ VIỆT NAM Giáo trình Vật lý khí quyển LỜI NÓI ĐẦU V ật lý khí quyển là khoa học nghiên cứu các hiện tƣợng và quá trình vật lý khác nhau xảy ra trong khí quyển nhƣ phát xạ, đốt nóng - làm lạnh, chu trình chuyển đổi các pha: Hơi nƣớc - nƣớc - đá, và nhất là các chuyển động của khí quyển trong các qui mô và môi trƣờng khác nhau. Nói cách khác, theo nghĩa rộng, môn vật lý khí quyển là khoa học nghiên cứu về bức xạ mặt trời, cân bằng nhiệt lƣợng, cân bằng lƣợng nƣớc và hoàn lƣu khí quyển và có thể coi môn học vật lý khí quyển là khoa học cơ sở lý luận của khí hậu học. Vật lý khí quyển luôn tiến đến kết quả cuối cùng là tìm kiếm cách thức dự báo các hiện tƣợng khí quyển – đại dƣơng. Tất nhiên, những khó khăn trong dự báo còn phụ thuộc vào hiểu biết của con ngƣời về các qui luật vật lý điều khiển các dòng chảy không khí một cách định lƣợng.
Việc cung cấp kiến thức đầy đủ cho các chƣơng trình đào tạo đại học và sau đại học về vật lý khí quyển: Thành phần khí quyển; Áp suất khí quyển; Bức xạ mặt trời; Chế độ nhiệt; Chuyển động đối lƣu trong khí quyển; Động lực học khí quyển và Hoàn lƣu khí quyển luôn là một yêu cầu cấp thiết. Giáo trình "Vật lý khí quyển" đƣợc biên soạn với mục đích đáp ứng yêu cầu các chƣơng trình đào tạo đại học và trên đại học chuyên ngành khí tƣợng thủy văn, phòng chống thiên tai và phát triển bền vững. Trong quá trình biên soạn giáo trình, chúng tôi đã nhận đƣợc sự giúp đỡ quý báu của Viện Khoa học Khí tƣợng Thủy văn và Biến đổi khí hậu và đông đảo các đồng nghiệp trong và ngoài ngành. Các tác giả chân thành cảm ơn sự giúp đỡ quý báu đó.
Xin chân thành cảm ơn. TÁC GIẢ 11 Giáo trình Vật lý khí quyển CHƢƠNG I: THÀNH PHẦN VÀ CẦU TRÚC KHÍ QUYỂN 1. Thành phần khí quyển + Thành phần khí quyển phụ thuộc vào 4 nhóm chất tồn tại trong khí quyển, đó là: - Các nhóm chất khí chính cơ bản nhƣ: Nitơ (N2), Ôxi (O2) và Acgôn (A) có lƣợng không thay đổi và tồn tại đến độ cao của tầng nhiệt (Turbopausa). Trong số này còn có hơi nƣớc (H2O), tuy nhiên lƣợng hơi nƣớc trong không khí thay đổi mạnh theo thời gian và không gian.
- Các chất khí ít ổn định là những chất hoá học bền vững, nhƣng có lƣợng ít nhƣ khí Cácbonnic (CO2), Ôxít Các bon (CO), Mê tan (CH4). Thêm vào số này còn có Ozon tầng đối lƣu và tầng bình lƣu, có thể coi tƣơng đối ổn định. - Các phân tử chƣa bão hoà và không ổn định (trong hoá học gọi là các "xúc tác tự do"). Các chất này có số lƣợng ít nhƣng hoạt tính hoá học rất mạnh, nhanh chóng tạo thành và phân huỷ (thỉnh thoảng với nhóm 1 và 2) - CH3OOH, CH2O, NO, HO2, OH và tƣơng tự.
Thêm vào số này còn có Ozon tầng cao của khí quyển. - Các Sol khí là những hạt rất nhỏ cứng hoặc lỏng của các chất khác nhau lơ lửng trong không khí (khói, bụi, hạt mây, sƣơng mù. Trong không khí sạch và khô (là không chứa hơi nƣớc và những hạt chất rắn và chất nƣớc nào cả), lƣợng các chất nhƣ sau: Bảng 1.1: Các chất khí trong khí quyển (không tính đến hơi nước) Những CO2 N2O N2 (O2) A Ne CH4 Kr H2 chất cơ Khí 2-Ôxit bản Nitơ Ôxi Acgon Neon Mê tan Kripton Hydro Cácbonnic Nitơ Lƣợng chứa % 78,08 20,95 0,93 0,03 1,8x10-3 1,2-1.5x10-4 1,4x10-4 5x10-5 3,5x10-3 theo thể tích Mật độ so với 0,97 1,11 1,38 1,53 không khí Phân tử 28 32 39,9 44 20,2 16 83,8 2 44 lƣợng 32 Giáo trình Vật lý khí quyển - Nitơ N2 chiếm 78,08% về thể tích rất trơ (khí trơ) và hầu nhƣ không tham gia hấp thụ năng lƣợng và chuyển thành hợp chất trong khí quyển. Chỉ trong lớp thổ nhƣỡng có một số loại vi khuẩn sử dụng Nitơ, bằng cách đó chuyển vào thành phần cơ thể sống và đồng thời thả vào khí quyển một lƣợng không lớn 2-Ôxit Nitơ (N2O) có mặt trong tầng đối lƣu khoảng 3,510-5 % thể tích.
Hai Ôxit Nitơ sau đó có thể tạo ra Ôxit Nitơ (NO) đóng một vai trò nhất định trong việc hình thành tầng ion. Năng lƣợng cần để tách phân tử N2 là khoảng 9,76ev (1ev = 1,60210-19J. Lƣợng tử có năng lƣợng 1ev tƣơng ứng với bƣớc sóng l = 1,2394µm). Còn đối với Ôxi thì cần năng lƣợng 5,12ev với l = 127nm.
Nhƣ vậy, việc điện phân N2 chỉ có thể xẩy ra ở những độ cao rất cao (trên 100km) nơi đã không còn có O2. Trong tầng nhiệt quyển vì là một chất khí nặng nên nó không có. Heli (He) đƣợc tạo thành thông qua phản ứng phóng xạ. Cấu trúc khí quyển và các lớp khí quyển Khí quyển là một vỏ bọc bằng khí quanh trái đất có trọng lƣợng (kể cả phần thể tích do lục địa chiếm ở trên bề mặt biển) 5,157x 1015 tấn = 1/triệu trọng lƣợng trái đất (5,98x1021 tấn).
Trái đất có dạng hình Elíp quay với nửa trục xích đạo là 6.378,2km, nửa trục cực là 6. Bề mặt trái đất trên mặt nƣớc biển là 510.800km2, chu kỳ vòng quay quanh trục là 23 giờ 56 phút 4,1 giây. Đến gần độ cao 200km, không khí bám theo trái đất nhƣ lớp mỏng đều nhau mọi nơi (theo phƣơng ngang). Nhƣng cao hơn 200km thì nhiệt độ và mật độ không khí thay đổi mạnh theo thời gian và không gian vì khí quyển bị dao động, giãn nở, nén lại.
Dó đó khí quyển bên ngoài có hình dáng không chuẩn. Các lớp chính của khí quyển + Trong khí quyển có một số lớp chính đó là Đối lƣu, Bình lƣu, Tầng Mezo, Tầng nhiệt quyển (thỉnh thoảng gọi là tầng ion). - Tầng Đối lƣu: Có độ cao từ mặt đất đến 17km trong vùng từ 420B - 420N chiếm 67% bề mặt trái đất và đến độ cao 11km ở ngoài vùng trên. 34 Giáo trình Vật lý khí quyển Trong tầng đối lƣu, nhiệt độ giảm theo độ cao, do đó nhiều khi có sự bất ổn định, các chuyển động và vận chuyển phƣơng đứng mạnh, cũng nhƣ các điều kiện thuận lợi cho việc chuyển nhiệt năng thành động năng.
Do sự sƣởi ấm khác nhau theo vĩ độ, lục địa và biển,., các dòng biển nóng, lạnh nên xuất hiện các dòng không khí nóng, lạnh trong tầng đối lƣu. Chúng thƣờng đƣợc phân cách nhau bởi các ranh giới rõ ràng đó là Front. Các dòng thăng, các sóng và Front tạo ra các đám mây có dạng khác nhau trong tầng đối lƣu mà từ đó có thể gây ra tuyết, mƣa. Phần dƣới của tầng đối lƣu trong khoảng 1,0 - 1,5km gọi là lớp biên.
Trong lớp biên này có sự trao đổi tích cực về chuyển động, nhiệt và hơi nƣớc giữa khí quyển và bề mặt trái đất và đại dƣơng cho nên hình thành rất rõ các Front, xuất hiện gió địa phƣơng (cục bộ). Phần dƣới cùng của lớp biên này khoảng trong 50m gọi là lớp sát đất của khí quyển, ở đó gradient phƣơng đứng của nhiệt độ lớn, vận tốc gió và độ ẩm cao. - Ranh giới chuyển từ tầng đối lƣu lên bình lƣu gọi là đối lƣu hạn (tropopause). Phần dƣới của tầng bình lƣu, gradient phƣơng đứng của nhiệt độ rất nhỏ và sau đó nhiệt độ tăng nhanh theo độ cao từ khoảng 34-36km đến bình lƣu hạn (Stratopause) gần 50m.
Tầng bình lƣu hầu nhƣ là ấm nhƣ ở mặt đất (trung bình khoảng 2700K). Sự phân bố nhiệt độ nhƣ thế không thuận lợi cho việc phát triển của các chuyển động đứng và bất ổn định. Độ ẩm nhỏ và mây ít đƣợc tạo thành. Thành phần không khí chỉ khác đối lƣu là hỗn hợp Ozon nhiều.
- Cao hơn tầng bình lƣu là tầng Mezo (tầng trung quyển), ở đó nhiệt độ lại tiếp tục giảm theo độ cao có khi đến -1100C (ở phần trên) và thỉnh thoảng xuất hiện các đám mây bạc mà hình dạng của nó chứng tỏ trong tầng Mezo có tồn tại các sóng và xoáy. Lớp chuyển tiếp gọi là Trung quyển hạn hoặc Mezo hạn (Mezopause) ở độ cao khoảng 82km. - Trên tầng Mezo (từ Mezo hạn) là tầng nhiệt quyển, ở đó nhiệt độ tăng rất nhanh theo độ cao (ở độ cao 200-250km, có khi nhiệt độ lên tới 1800K). Ở độ cao khoảng 106km, không khí của khí quyển di chuyển nhiều do các dòng chảy không khí và gió, và thành phần không khí khắp mọi nơi nhƣ nhau, nhƣng cao hơn độ cao này, đƣợc gọi là độ cao "nhiệt quyển hạn" (Turbopause), không khí bị thay đổi: Phần lớn trong đó có Oxi nguyên tử (O), không có CO2 và xuất 54 Giáo trình Vật lý khí quyển hiện sự ion hoá mạnh.
Cho nên phần cuối này hay được gọi là tầng ion. Trên cao nữa là tầng ngoại quyển. KM 1000 - Nhiệt quyển 300 - p = 0,6. 10-6 atm Nhiệt quyển hạn 100 - 80 - Mêzô hạn Mêzô 60 - Bình lưu hạn 40 - T 30 - Bình lưu 20 - 15 - Đối lưu hạn 10 - Đối lưu p = 1atm T = 200 250 300 Hình 1.
Cấu trúc khí quyển 1. Các yếu tố khí tượng + Những đại lượng đặc trưng cho trạng thái của khí quyển và những hiện tượng thời tiết riêng biệt là đối tượng của những quan trắc khí tượng chung, gọi là những yếu tố khí tượng. - Những yếu tố khí tượng cơ bản là: 1. Áp suất khí quyển 2.
Nhiệt độ không khí 56 Giáo trình Vật lý khí quyển 3. Độ ẩm không khí 4. Lƣợng mây và dạng mây 5. Những giáng thuỷ khí quyển và lớp tuyết phủ 6.
Tầm nhìn xa - Những yếu tố khí tƣợng bổ sung là: 8. Nhiệt độ đất và nhiệt độ nƣớc 9. Độ bốc hơi của nƣớc 10. Thời gian mặt trời chiếu sáng.
Ngoài ra, ngƣời ta còn ghi những hiện tƣợng khí quyển khác nhau (nhƣ hiện tƣợng điện, quang, sấm, chớp. Các hiện tƣợng khí tƣợng đƣợc Tổ chức Khí tƣợng thế giới (WMO) phân loại gồm: Thuỷ, thạch, điện và quang hiện tƣợng nhƣ sau: Thuỷ hiện tƣợng: Là những hiện tƣợng khí tƣợng sinh ra do những biến đổi trong các trạng thái khác nhau của nƣớc trong khí quyển nhƣ: Mƣa, mƣa phùn, mƣa đá, tuyết hay những hạt ít nhiều lơ lửng trong khí quyển nhƣ sƣơng mù, mù.; những hạt bị gió nâng lên nhƣ hơi nƣớc, bão tuyết, ., hoặc những kết quả ngƣng kết sát mặt đất nhƣ sƣơng móc, sƣơng muối,. Thạch hiện tƣợng: Là những hiện tƣợng đƣợc tố thành bởi các hạt phần lớn rắn và khô, có thể lơ lửng trong không khí nhƣ mù khô, khói,.
