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 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 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,., có thể bị gió nâng lên và di chuyển trên mặt đất nhƣ bão, bụi, bão cát,. Điện hiện tƣợng: Gồm các hình thức biểu hiện của điện khí quyển mà ta thấy đƣợc, nghe đƣợc nhƣ chớp, sấm, cực quang,. Quang hiện tƣợng: Là những hiện tƣợng sinh ra bởi phản xạ, khúc xạ, nhiễu xạ, hoặc giao thoa ánh sáng từ mặt trời, mặt trăng nhƣ quầng, tán, cầu vồng, vân ngũ sắc,. Các hiện tƣợng đều có quy định ghi theo ký hiệu.
+ Bổ sung cho các quan trắc những yếu tố khí tƣợng trên còn có tổ chức quan trắc đặc biệt nhƣ: - Những quan trắc cao không nhằm nghiên cứu các lớp trên cao của khí quyển. 76 Giáo trình Vật lý khí quyển - Những quan trắc bức xạ về bức xạ của mặt trời và bức xạ của mặt đất. - Những quan trắc về các hiện tƣợng quang trong khí quyển (những quan sát trắc quang về độ chiếu sáng của mặt đất, độ sáng bầu trời, sự phân cực của ánh sáng bầu trời, những quan trắc đặc biệt về tầm nhìn xa,. - Những quan trắc về điện khí quyển.
Hơi nƣớc trong khí quyển Hơi nƣớc là một trong những thành phần quan trọng của khí quyển. Lƣợng hơi nƣớc nhiều hay ít trong không khí quyết định khí hậu ẩm hay khô, điều kiện sống của con ngƣời và phát triển của sinh vật. Vì có khả năng hấp thụ bức xạ từ bề mặt trái đất và phát xạ nhiệt, nên hơi nƣớc trong khí quyển làm tăng nhiệt độ ở các lớp phía dƣới và cho chúng ta khí hậu ấm hơn. Bão hòa hơi nƣớc tạo điều kiện hình thành mây và mƣa là những hiện tƣợng mà cuộc sống và hoạt động kinh tế - xã hội của con ngƣời phụ thuộc vào chúng.
Ngƣng kết và bốc hơi sẽ kèm theo tỏa ra khí quyển và hấp thụ một lƣợng nhiệt lớn, đồng thời tăng vai trò của hơi nƣớc trong nhiệt động lực khí quyển. Những đại lƣợng sau đặc trƣng cho lƣợng hơi nƣớc trong khí quyển: 1) Sức trương (áp suất riêng) của hơi nước e, giống nhƣ áp suất không khí, đƣợc tính bằng N/m2, mm cột thuỷ ngân Hg hoặc bằng miliba (mb). 2) Mật độ của hơi nước α tính bằng g/cm3 hoặc g/m3 là lƣợng hơi nƣớc chứa trong một đơn vị thể tích.1) Trong đó, e là sức trƣơng hơi nƣớc, T là nhiệt độ Kenvin (ToK = 273,16 + toC) 3) Những giá trị giới hạn, cực đại của sức trương và mật độ hơi nước Có một giới hạn nhất định về lƣợng hơi nƣớc chứa trong không khí tuỳ thuộc vào nhiệt độ của nó. Quá giới hạn đó thông thƣờng lƣợng hơi nƣớc chứa trong khí quyển không tăng lên đƣợc nữa.
Lƣợng hơi nƣớc thừa trên giới hạn đó phải ngƣng kết lại. 78 Giáo trình Vật lý khí quyển Hơi nƣớc đã đạt tới mật độ giới hạn Q và sức trƣơng giới hạn (cực trị) E đƣợc gọi là hơi nƣớc làm bão hoà không gian. E phụ thuộc vào nhiệt độ không khí (toC) nhƣ sau: E (t) 6,107 x 107,6326 t / (241,9 + t) (1.2: Độ lớn cực đại của sức trương và mật độ hơi nước, phụ thuộc vào nhiệt độ Nhiệt độ (0C) -30 -20 -10 0 +10 +20 +30 E (mb) 0,50 1,27 2,85 6,10 12,26 23,38 42,42 E (mm) 0,37 0,95 2,14 4,58 9,21 17,54 31,82 Q (g/m3) 0,44 1,08 2,35 4,86 8,41 17,32 30,38 4) Độ ẩm tương đối f: Là tỷ lệ phần trăm của sức trƣơng hơi nƣớc (e) so với sức trƣơng giới hạn có thể của hơi nƣớc làm bão hoà không khí ở nhiệt độ cho sẵn.3) 5) Độ hụt bão hoà d: Tức là hiệu giữa sức trƣơng của hơi nƣớc bão hòa và sức trƣơng hơi nƣớc (e).4) 6) Độ ẩm riêng q: Là lƣợng hơi nƣớc tính bằng (g), chứa trong 1 g (hoặc trong 1 kg) không khí ẩm tính theo [g/g] hoặc [g/kg].5) Trong đó, ρkk là mật độ không khí, ρa là mật độ hơi nƣớc, p là áp suất. 7) Tỷ lệ hỗn hợp: Là lƣợng hơi nƣớc chứa trong một đơn vị không khí khô tính theo [g/g] hoặc [kg/kg].6) 8) Điểm sương hoặc Td: Là nhiệt độ mà ở đó hơi nƣớc chứa trong không khí trở thành bão hoà không gian (sức trƣơng e, áp suất p không đổi).