TRƯỞNG ĐẠI HỌCTHÙY LỢI BỌ MÔN THỦY VĂN VÀ BIÊN ĐỚI KHỈ irẶL Ths GVC PHẠM ĐỨC NGHĨA (Chủ biên) x y PGS TS NGUYỀN HOÀNG SƠN, TS NGUYỄN TIẾN THÀNH, TS vũ THANRTXK GIÁO TRÌNH KHÍ TƯỢNG HỌC TRƯỜNG ĐẠI HỌC[.]
TRƯỞNG ĐẠI HỌCTHÙY LỢI BỌ MÔN THỦY VĂN VÀ BIÊN ĐỚI KHỈ irẶL Ths GVC PHẠM ĐỨC NGHĨA (Chủ biên) x y PGS TS NGUYỀN HOÀNG SƠN, TS NGUYỄN TIẾN THÀNH, TS vũ THANRTXK GIÁO TRÌNH KHÍ TƯỢNG HỌC TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI Bộ MÒN THỦY VÃN VÀ BIẾN ĐỎI KHÍ HẬU ThS GVC Phạm Đức Nghĩa (Chú biên) PGS TS Nguyen Hoàng Sơn TS Nguyễn Tiến Thành TS Vù Thanh Tú GIÁO TRÌNH KHÍ TƯỢNG HỌC NHÀ XT BẤN BÁCH KHOA HÀ NỘI Biên mục xuất bán phâm Thư viện Quốc gia Việt Nam Giáo trình Khí tượng học / Phạm Đức Nghía (ch.b.), Nguyền Hồng Sơn, Nguyễn Tiến Thành Vũ Thanh Tú - H.: Bách khoa Hà Nội 2023 - 312 tr.; 27 cm DTTS ghi: Tnrờng Dại học Thuy lợi Bộ môn Thủy vãn Bién đơi hậu I Khí tượng học Giáo trinh 551.50711 - dc23 BKM020lp-CIP LỜI NÓI ĐÀU Giáo trình Khi tượng học biên soạn nhăm đáp ứng nhu cảu giáng dạy mơn học Khí tượng - Thời tiêt - Khi hậu cho sinh viên ngành Thúy vãn, Trường Đại học Thúy lọi Toán giáo trinh biên soạn gồm 11 chương nhảm trang bị nhùng kiến thức ban VC khoa học khí tượng ycu tô tượng ban, thành phàn cảu trúc quyên, định luật xạ trình tình học nhiệt động lục học, q trình vật lý khí qun Giảo trinh có thẻ dùng lãm tải liệu tham khao cho sinh viên, học viên cao học nghiên cứu sinh ngành, chuyên ngành kỹ thuật không chuyên sâu VC lỉnh vục khí tượng hậu hục Ngồi giáo trình có the làm tài liệu tham kháo tốt cho nhừng độc gia quan tâm đen vãn đẽ thời tiết khí hậu mn tìm hiẽu vẻ Khi tượng học Dê hỗn thành giáo trình, nhóm biên soạn đà nhận hổ trợ từ Trường Đại học Thủy lọi vã nhừng góp ỷ quý báu từ cãc đồng nghiệp Nhóm biên soạn cố gắng biên soạn theo phương châm bán dại Tuy nhiên, q trinh biên soạn khơng the tránh khói nhùng hạn chê vã khiếm khuyết Do nhõm biên soạn rat mong nhận góp ỳ xây dụng từ ban dọc dè cuỏn sách dược hoàn thiện lân xuất bàn sau Xin chân thành cám ơn! Tập thể tác giã MỤC LỤC I.ỜI NÓI DẰU Phần mơ đầu KHỈ TƯỢNG HỌC LÀ GÌ? - 11 Định nghla II Dối tượng, mục đích vả phuo'ng pháp nghiên cúu II Nhiệm vụ cua khí tượng học 11 Phân ngành cùa khí tượng học 12 Ý nghia cùa tượng học kinh tế quốc dân .13 Lịch sử phát triín cùa khí tượng học 14 Cáu hói tháo luận phân mơ đâu IX Chương CÁC YẾU TĨ KHÍ TƯỢNG co BẢN VÀ MÓI QUAN HỆ GIŨ A CHỦNG 19 1.1 Các yểu tồ khí tưọng bàn 19 1.1.1 Nhiệt độ không .19 1.1.2 Áp suất quyến 19 1.1.3 Độ ảm không 20 1.1.4 Gió .22 1.1.5 Mây 25 1.1.6 Giáng thủy 25 1.1.7 Tằm nhin xa 26 1.2 Phương trình trạng thái cua khơng khí .26 1.2.1 Phương trinh trạng thái cùa không khỏ .26 1.2.2 Phương trinh trạng thái cùa nước mối quan hệ giừa đặc trưng độ âm khơng khí 28 1.2.3 Phương trình trạng thái cùa khơng âm - nhiệt độ áo 31 Câu hòi thão luận chưong 34 Chương THÀNH PHẢN VÀ CÁU TRÚC KHÍ QUYẺN 35 2.1 Thành phân khí quyên 35 2.1.1 Thành phân khơng khí lớp cùa quyên 35 2.1.2 Thành phan không nhùng lởp quycn cao 36 2.2 Cấu trúc khí quyên 36 2.2.1 Dỏ cao quyến 36 2.2.2 Câu trúc quyên theo chiêu thăng dứng 37 2.2.3 Câu trúc quyên theo chiêu nãm ngang .42 Câu hỏi thào luận chương 48 Chương TÍNH HỌC KHÍ QUYÊN 49 3.1 Phưong trình tĩnh học bán .49 3.1.1 Thành lập phương trinh tình học bân 49 3.1.2 Nhận xét rút tù phương trinh tình học co bán 51 3.2 Cơng thức khí áp .51 3.2.1 Công thức âp lồng quát 51 3.2.2 Công thức ãp dạng địa vị 53 3.2.3 Sự phân bố áp quyền đồng nhắt 57 3.2.4 Sự phàn bõ áp suất quyên đăng nhiệt 58 3.2.5 Sự phàn bõ áp suất quyên tuyến tinh 60 3.3 Công thức áp đầy đu rút gọn 62 3.3.1 Công thúc áp đầy đù 62 3.3.2 Công thức áp don gian 64 3.4 Bậc khí áp gradient khí âp thăng đứng 68 3.4.1 Bậc khí áp 68 3.4.2 Gradient áp thãng dứng 71 3.4.3 Quan hệ bậc áp gradient áp thãng dửng với nhiệt độ 71 Câu hỏi thào luận chương 72 Chương BỬC XẠ MẶT TRỜI 73 4.1 Bức xạ mật tròi 73 4.1.1 Cấu tạo Mặt Trời 73 4.1.2 Bửc xạ mật trời vả quang phó cũa 74 4.1.3 Các đặc trưng xạ mặt trôi 76 4.1.4 Ý nghĩa bửc xạ mặt trôi 80 4.2 Các dịnh luật ban bứcxạ nhiệt 80 4.2.1 Định luật Kirchhoff 80 4.2.2 Định luật Stefan-Boltzmann 81 4.2.3 Định luật Wien 82 4.3 Sự SUV yểu xạ mật trịi khí 83 4.3.1 Nguyên nhân suy yếu bửc xạ 83 4.3.2 Định luật suy yểu bírc xạ mặt trời quyên 86 4.4 Bírc xạ tong cộng 96 4.4.1 Trực xạ 96 4.4.2 Tán xạ 99 4.4.3 Bức xạ lỗng cộng 100 4.4.4 Bức xạ phân xạ xạ hấp thụ 102 4.5 Bức xạ mặt dất xạ quyến 103 4.5.1 Bức xạ mặt dắt 103 4.5.2 Bức xạ quyên 104 4.5.3 Bức xạ hiệu dụng 105 4.6 Cân bảng xạ 106 4.6.1 Cân băng xạ cùa mặt đãt 106 4.6.2 Cân bảng bửc xạ cũa quyền 107 4.6.3 Cân bang xạ cùa hệ thống Trái Đất - 108 Câu hòi thao luận chương 110 Chương CHÉ ĐỌ NHIỆT CỦA ĐÁT, NƯỚC VÀ KHƠNG KHÍ 112 5.1 Sụ nóng lên lạnh vùng đất, nuó*c 112 5.1.1 Những điềm giống 112 5.1.2 Những diêm khác 114 5.2 Quá trinh truyền nhiệt vào lòng dắt nước 115 5.2.1 Phuong trinh truyền nhiệt lỏng đãt nước 115 5.2.2 Đao động cùa nhiệt độ lòng đât, nưởc 118 5.3 Bien trình nhiệt dộ cùa bề mặt lóp sát mịt 120 5.3.1 Bien trinh ngày năm cùa nhiệt độ bẽ mặt đãt 120 5.3.2 Phàn bố nhiệt độ theo độ sâu cũa kíp sãt mật 122 5.4 Q trình nóng lên lạnh di cùa khồi khơng khí 124 5.4.1 Phương thức dần nhiệt phân tứ 124 5.4.2 Phương thức phát xạ 125 5.4.3 Phưimg thức đối lưu nhiệt .125 5.4.4 Phương thúc rói 126 5.5 Sự biền đối cúa nhiệt độ không kill theo thời gian không gian 127 5.5.1 Biến trinh ngây vã nám cùa nhiệt độ không 127 5.5.2 Biến đỗi nhiệt độ không theo độ cao 129 5.5.3 Hiện tượng nghịch nhiệt khí 130 Câu hói thào luận chương 133 Chương CO SỜ NHIẸT LỤC HỌC KHÍ QUYÉN 134 6.1 Phương trình nhiệt lực học !34 6.1.1 Phương trinh co bán 134 6.1.2 Nhộn xét rút từ phương trinh nhiệt lực học bán 135 6.2 Sự biến đỗi nhiệt độ khơng khí trình đoạn nhiệt 135 6.2.1 Ọuá trinh đoạn nhiệt cũakhơng khí 135 6.2.2 Q trình đoạn nhiệt cuakhơng khí khơ 136 6.2.3 Q trinh đoạn nhiệt cùakhơng khí âm chưa bảo hỏa 140 6.2.4 Quá trinh đoạn nhiệt củakhơng khí ắin bào hỏa 142 6.3 Các loại nhiệt độ khí tưọng - 147 6.3.1 Nhiệt độ thể vị 147 6.3.2 Nhiệt độ tương đương nhiột độ the vị tương đương 151 6.3.3 Nhiệt độ tương đương giã nhiệt độ thố vị giã 152 6.4 Sự ôn định chuyên động đối lưu 154 6.4.1 Điểu kiện ỏn đinh chuyên dộng dôi lưu 154 6.4.2 Điều kiện ôn định cùa không khỏ 155 6.4.3 Điều kiện ỗn định cùa không ầin 160 6.4.4 Phàn loại độ ổn định cùa khơng khí 161 6.5 Năng lượng không ồn định cũa khơng khí 165 6.5.1 Xác định lượng bãt ôn đinh 165 6.5.2 Khảo sát nàng lượng bất ổn định 167 6.6 Giãn dồ cao không ứng dụng .171 6.6.1 Câu tạo cùa gián đô Etna 172 6.6.2 ưng dụng cứa giàn đô Ema 173 Câu hoi thao luận chưong 177 Chinrng co SỜ DỌNG Lực HỌC KHÍ QUYẾN 179 7.1 Trường khí áp 179 7.1.1 Khái niệm chung trưởng khí áp 179 7.1.2 Ngun nhân hình thành trường khí áp 183 7.2 Các lục sinh chuyển dộng cùa khơng khí 1X6 7.2.1 Lực trọng trường 186 7.2.2 Lực Coriolis hay lực lệch hướng địa chuyến 187 7.2.3 Lực ly tâm 190 7.2.4 Lực gradient ủp 190 7.2.5 Lục ma sát 192 7.3 Chuyền động ồn định trường họp khơng có ma sát .193 7.3.1 Gió dịa chuyến 193 7.3.2 Gió gradient 195 7.4 Chun dộng ơn định trướng họp có ma sát 198 7.4.1 Trường hợp đường đãng ủp thắng song song 198 7.4.2 Trưởng họp dưỡng đàng áp cong 200 7.5 Sụ biến thiên gió theo chiều thắng dứng 204 7.5.1 Sự biển thiên cùa tốc độ giỏ lóp ma sãt 204 7.5.2 Sự biển thiên cùa gió theo độ cao quyên tự - gió nhiệt 204 7.5.3 Những kiêu biên thiên ban cua giỏ theo dộ cao 208 7.5.4 Sự biên thiên cùa gió theo dộ cao xoáy thuận, xoáy nghịch 211 7.6 Sự biên thiên cùa gió theo thịi gian 212 7.6.1 Biền trinh ngày 212 7.6.2 Biển trinh năm 213 7.7 Gió địa phương 213 7.7.1 Gió đắt gió biên 213 7.7.2 Gió núi - thung lũng 214 7.7.3 Gió phơn 215 Câu hoi thão luận chuông 217 Chương X Q TRÌNH TN HỒN CỦA NƯỚC TRONG KHÍ QUYÉN .219 8.1 Bốc hoi 221 8.1.1 Bán chất vật lý cùa bốc hoi 221 8.1.2 Các phương pháp xác định bôc thicn nhiên 223 8.1.3 Sự biến địi độ âtn khơng theo thời gian vã không gian 230 8.2 Ngưng két 234 8.2.1 Diều kiện ngưng kết nước quyền 235 8.2.2 Ngưng kết cua nước bê mặt trãi đãt 237 8.2.3 Ngưng kết cùa nước lớp thắp 239 8.2.4 Sự ngưng két nưởc quyên tự mây 242 8.3 Nước roi khí 247 8.3.1 Sự hĩnh thành mưa - phán loại mưa 248 8.3.2 Sư phân bô mưa theo thời gian không gian .253 Câu hòi thào luận chương 256 Chương CÁC HIỆN TƯỢNG QUANG HỌC TRONG KHÍ QUYÊN 258 9.1 Giới thiệu chung - 258 9.1.1 Quang học gì? 258 9.1.2 Phân loại tượng quang học khí quycn 261 9.2 Các tượng quang học gây hời sụ khuếch tán hấp thụ ánh sáng khí quyền .261 9.2.1 Hĩnh dạng vã màu xanh bâu trởi 261 9.2.2 Hồng binh minh, ráng 264 9.3 Các tưọng quang hục gây bới khúc xạ ánh sáng 267 9.3.1 Các tượng liên quan dén khúc xạ thiên vãn 267 9.3.2 Các tượng liên quan đốn khúc xạ trãi đất 268 9.4 Các tượng quang học gây khúc xạ, phán xạ, nhiễu xạ ánh sáng giọt nước linh the hãng mây 270 9.4.1 Cầu vồng 270 9.4.2 Quầng tán 274 Câu hỏi thào luận chương 278 Theo độ cao, suất dẫn điện cua khơng tâng nhanh, có the xáp xi tn theo quy luật hãm mù hãm bậc hai Theo phương ngang, trẽn lục địa suãt dần điện cùa không biên dôi nhiêu tứ địa phương sang địa phương khãc; cịn trẽn biên, st dan diên cua khơng táng dẩn theo độ Suất dần điện cùa khơng biến đổi nhiều theo thời gian, ban đèm thưởng lớn ban ngày Khi có biến động cùa thời tiết, suất dàn điện cùa không biến dộng mạnh Giá trị trung binh cùa suât dan điện cua không lớp sát đât chi vào khoáng 1.3.10 14 ỉỉ.m ion dương vả vảo khoang 1.1.10 |4/Í2.m ion âm Vi nơng độ ion tăng dân theo độ cao tỷ lệ hình thành ion nhẹ với độ linh động chúng câng lên cao câng lớn nên tữ ký XIX người ta đà nghĩ đến tồn lại cua lóp khơng khí cao có độ dan diện lớn Cho den nay, gia thuyêt dó dã dược xác nhận Các kết quã nghiên cứu khảng định rang: cao cùa quyên tồn nhừng lóp dan diên Những lớp khác với lớp khác cùa khí qun chỗ chúng cỏ nơng độ ion cao người ta gọi chúng lã tầng ion Tằng ion mơi trường ion hóa mạnh, chứa nhiều ton điện tứ lự Các kêl khảo sãt cho thây: tâng ion có cảu trúc thành lóp, trạng thái thịng thường cùa biến thiên theo chu kỳ ngây vã năm; nhiên, đỏi tồn nhùng biên thiên không theo chu kỳ lâm nhiều động trụng thãi bình thưởng cùa nõ Trong tang ion, người ta lách hai lớp dẫn điện chinh cỏ nong độ ion cực đại lả: lỡp E dộ cao vào khoáng 100 km lớp F dộ cao vào khoáng 200 km - 300 kin Nhùng nãin gân bang phương tiện tên lừa, vệ tinh nhãn tạo, người ta đà đo dược nồng độ ion lớp có độ cao lớn lẽn tới độ cao 900 lem - 1000 km cùa tang ion Kêt qua nghiên cứu cho thây: lóp cùa tâng ion khơng có ranh giới rị rệt Trong tồn tầng ion nồng độ cua cãc phân lir tích điện tâng lên tữ từ theo độ cao giá trị cực đại lớp có nhiêu hạt tích diện nhât độ cao vào khoáng 300 km Cao độ cao đạt giả trị cực đại nông độ hạt tích điện giám xuống tữ từ chậm nhicu so với tăng phân phía cua tâng ion Nghiên cứu lang ion ta cỏn có thê thu số liệu thánh phân, câu trúc qun nhừng tính chất cùa độ cao rắt lớn Ngoài ra, việc nghiên cứu vả dự báo trạng thái cua tầng ion có ý nghía thực tiền to lớn Nó giúp ta giái vấn đề có hên quan đển truyền sóng liên lạc vị tun điện 11.2.1.2 Sự truyền bá sóng vơ tuyến điện mơi trường dắn điện Như đà nói tầng ion quyên lã mơi trưởng lon hỏa mạnh thưa lồng khơng khí chửa rát nhiều cãc ion điện tư tụ Khi khao sát truyền bá sóng vơ tun 298 điện qun (mơi tnrịng khơng dần diện), ta có the áp dụng định luật quang hình học tức khơng kháo sát sóng mà kháo sát tia Khi dó, càn phai coi mịi tnrịng ion hóa kem chief quang hơT) mơi tnrịng khơng ion hóa tóc độ truyền bã sóng vó tuyến diện mơi trường ion hóa lớn lum mõi trường khơng ion hóa Vi vậy, sóng vơ tun điện từ cãc lóp qun thấp khơng ion hỏa lẽn vào lớp quyên cao ion hóa mạnh, sè bị khúc xạ lệch xa đường thủng góc với mạt ngăn cách giừa cãc lớp; độ lệch sè câng lờn nỏng độ ion lóp cao Vi mức độ ion hỏa tăng theo độ cao nên tia vỏ tuyển điên sê truyền bá theo đường cong quay phia lỗi lên (hĩnh 11.1) Trên hình 11.1, quỹ đạo cùa tia vơ tun diện xuàt phát từ diem A mặt đât di vào lóp dan điện diêm B truyền theo đường cong BCD quay trờ lại mặt đât diem F Độ truyền xa cua sóng vị tuyến điện dược linh khoáng each AFE mặt đất Như độ cao CF câng lởn khống cách AFE câng lỏn lức lã sóng vơ tun diện (chủ yếu lã sóng ngán) truyền xa hon Hình 11.1 Dường đl tla vị tun khí quyền Độ cao CF phụ thuộc vào nông độ ion tâng dần điện độ dài sóng cùa sóng vơ tun diện, mà cịn phụ thuộc vào góc phát sóng cua tia vơ tun (góc tạo thành tia sóng vỏ tuyến điện với phương nàm ngang) Do đỏ độ truyền xa sõng vô tuyến điện phụ thuộc vào góc phát sóng cùa tia vơ tuyến Ta có the mỏ tá ánh hương cùa góc phãt sóng đen độ truyền xa cùa sóng vơ tun diện sau: Trên hình 11.2 mặt cài thảng đứng biêu thị quỳ đạo cũa tia vỏ tuyên điện Trong đó: A lã trạm phát tín hiệu vơ tuyền điện mặt đát B c D trạm mải đâl thu tin hiệu vò tuyến điện trạm A phát 13 Các tia sóng vơ tuyến điện 1,2, 3, dược phát tử trạm A tạo thành với phương nầm ngang góc phát sóng khác Tia số I phát tử trạm A với góc phát sõng lớn vảo tầng ion bị cong khúc xạ truyền vào không gian vũ trụ nên khỏng có tín hiệu mặt đẩt 299 Khi giam góc phát sóng tới trị sỏ (ới hạn (như tia sỏ 2) thi sóng vị tun điện bị khúc xạ dân trình xuyên qua tâng ion vã lên tới giới hạn trẽn cùa tâng ion bị phan xạ trơ lụi, quay vê mặt dât trạm thu fỉ Trên mặt đàt, trạm A trạm B sè tạo thành vùng lặng sóng, tức vùng khơng thu tin hiệu vơ tuyến điện phát từ trạm A Hình 11.2 Quỹ đạo cùa tia vỗ tuyển điện vời góc phát sóng khác Nếu tiếp tục giám góc phát sóng them thi tia sóng vơ tuyến diện không xuyên sâu vào tang ion mà chi đen giới hạn nhât định rôi quay trớ mặt dât tia số vã c vã D Rị ràng rúng: góc phát sóng bủng không (tia vô tuyến điện phát tiếp xúc với mặt đất) thi khoảng cách nhận tin hiệu vị tuyến điện sè xa vói lãn phan xạ Trên thục tế tia vơ tuyến điện bị phán xạ từ tằng ion mặt đắt lại bị mặt đai phán xạ lẽn tâng ion v.v vả trinh có thè tiếp diễn nhiều lan làm cho tin hiệu vô tuyến điện có the lan truyền đen khắp vùng trcn mặt dất, nhung di xa thi tín hiệu vơ tuyền diện câng yêu dân Ngoài kết nghiên cứu cỏn chi rủng: neu bước sóng cùa sóng vơ tuyến điện tảng lên khả nàng phán xạ đà nêu có the xây cà trướng hợp góc phát sóng lớn Thậm chi bước sóng cua sóng vơ tun điện tăng dạt tởi giá tri tới hạn tro thi cá trưởng hợp góc phát sõng bàng 90° (tia sõng vơ luyến điệnphãt thắng đứng) vần có thi- xảy phán xạ sóng vơ tuyến điện giùa tầng ion vả mật đất Trong nghiệp vụ, người ta gọi khoáng khơng gian mặt dàt tâng ion có kha nâng truyền sóng vỏ tuyến điện xa "lóp dản sóng quyến" Ngay cao lớp có nơng độ ion lớn hình thành cãc "dõng dẫn sóng" cỏ thê truyền sóng vơ luyến điện thích hợp xa Nhị có kíp dan sóng quyên mã cá sóng điện tù tia sét gây truyền xa Đen lượt mình, việc khao sát truyền bá sóng vị tuyến điện khơng đà góp phần không nho vào quan sãi vã thu thập Ihẽm kiên thức vê tâng ion, mã giúp ta nghiên cứu vân dê vẽ dông sét như: cưởng dộ phàn bị dơng set, V.V Đã từ lâu, phương pháp vô tuyên thám sát tàng ion băng chân xung dà ứng dụng rộng rài 3 11.2.2 Điện trường khí Như nơi trcn, từ nưa đâu thê kỹ XVIII, nhã bác học Nga đại M V Lồ-mơ-lơ-xồp xác định ràng khí qun có diện trường Các quan trãc nhũng năm tiếp sau theo đà khảng định chấn điểu Điện trưởng cũa khí qun cỏ thê xem tụ điện hĩnh câu khơng ló mã bán bẽn lả mặt đất tich điện âm cỏn bán bên ngoái lã lởp dẫn điện cao cùa khí (tằng ion) tích điện dưong Giừa cãc ban cùa tụ điện thiên nhiên náy có hiệu điện the gây bơi điện trưởng mã ta cỏ thê quan sát dược, gọt lả điện trưởng cua quyên Cũng điện trường, diện trường cùa quyên bât kỳ diêm dược đặc trưng bói diện thê gày tàt cà điện tích cùa Trái Dât vã quyền Diện thè cùa diêm cùa điện trường bảng cơng cùa ngoại lực tiêu thụ dê di chuyền đon vị diện lượng từ vò cực đến diem dang xét hiệu điện cua hai diem bàng công cãc ngoại lục tiêu thụ di chuyên don vị diện lượng lũ diêm đèn diem khác Cho nên diem dược đặc trưng bói trị số điện hốn tồn xác định Qua nhiều điểm cỏ giã trị điện la vè đuọc mặt có điện the gọi lã dâng Trong trường hợp mặt đât bâng phăng, khơng có nhiễu dộng khí quycn mặt đãng thỏ song song với song song với mật đât Nêu mặt đât có địa hình máp mị, khí qun có nhiều dộng, khơng đòng nhãt thi mật đãng the cỏ xu hướng lượn quanh nhùng mấp mơ chướng ngại dó Mặt đãng hạ thấp xuống vả xa nhùng thung lùng, vũng trũng, uốn cong lên vã xích lại gan đinh vùng có địa hĩnh nhơ cao len (hĩnh I 13) Hình 11.3 Hình dạng phân bó mệt đằng thé ừong khơng gian 301 Câng lèn cao so với mật dàt, ánh hường cùa dịa hình ycu di mặt dãng thè có xu hướng trò lại song song với măt thúy chuẩn Diện trường quyên dược dặc trưng bói cường dỏ diện trường (hoặc gradient diện thề) Chúng ta cỏ thê định nghĩa cường độ diện trường quyên gradient diện sau: - Cường độ điện trường quyền lả lực lác động lên đem vị điện tích diem xét cùa điện trường khí quyên Ký hiệu E đơn vị đo v/m - Gradient điện the độ biến thiên cùa diện the khoáng cách trục giao với mặt đảng thê vê phía giám cùa điện thê Ký hiệu -7—và đon vị đo lã v/m dz Cũng tương tự áp suất quyền vã gradient áp độc trưng cho phân bố khí áp quyên, cường độ diện trường gradient diện thê đặc trưng cho phân bố điện quyến Giữa cường dộ diên trường khí quyên vã gradient điện thê có mói quan hệ mã’ thict vói Có thè xác lập mối quan hệ dó sau: Trên hình 11.4 cỏng cua lực dơn vị diộn tích di chuyên từ diem M (trên mặt đăng AB, cỏ điện the V) den diem N (trên mặt dâng the CD, có điện the V + dV) là: A = E.dz = V - (V + dV) = dV Do đó: (11.2) dz Như cường độ điện trưởng quyên trị sỏ bủng gradient điện the ngược dấu N(V+dV) Hinh 11.4 Gradient điộn thố Do đó, đê thuận tiện tinh tốn thực hãnh, người ta thưởng đủng gradient diện the thay cho cưởng độ điện trưởng âm Trong diêu kiện bình thường, thời tiết dẹp trịi vecto cưởng dộ diện trường E có hướng từ ưcn quyên xuồng mát dầt có nghĩa đât tích điện ảm so với 302 quyên cao giá trĩ tuyệt đòi trung bình cua cường độ diện trưởng (hay gradient điện the) giám nhanh theo độ cao Sự giam xuông cua gradient điện the (heo dộ cao có liên quan dén dư thừa cua ion dương so với cãc ion âm lớp quyên thíip Cỏn biên dỏi cùa cưởng dộ điện trường gradient diện the theo phương ngang không đãng kê, Các sô liệu quan trắc thời tiết đẹp trời nhiêu nơi trẽn Trái Đát chửng tó: cường độ diện tnrịng thay dôi nhẹ theo vĩ dộ, tãng dân từ xích dạo VC hai cực; cỏn sụ biên đơi cùa gradient điện (he theo vĩ dộ không thê rõ Cường dộ diện trường khí qun có biên trình ngày biên trinh nãm Trẽn biên, biên trinh ngày cua cường dộ điện trường tuân theo hãnh tinh thường có giá tri cục lieu vào lúc 411 GMT giá trị cục đại vào lúc 19h GMT (điêu có liên quan đèn hoạt động cua dơng); biên trinh năm có cực đại vào khống tháng 12-1 (khi Trái Đàt gân Mặt Trời nhât dó khí quycn bị ion hóa mạnh nhàt) cực tiêu vào khoáng tháng 6-7 (khi Trái Đât xa Mặt Trời nliât) cỏn lục đia, bicn trinh ngày năm cua cường độ diện trường cõ dạng tương tự chịu ánh hường cùa điêu kiện dịa phương, dõi dao động dịa phương rât kín có thê phá vờ dạng vịn có cùa bicn trinh nêu Dặc biệt, thời lièt biên dộng thi cưỡng độ điện trường quyên biên động mạnh, chi có the thay dơi cá phương chiêu Các nhiều động khí quyên làm giám độ dan diện đõ tâng cường độ điện trường; khí áp giám, độ dan diện tảng cuông độ điện trướng giám Các tượng dông mạnh, giáng thúy lớn, gió mạnh, mây phát triẽn, v.v cà hoạt động cùa người đêu có thê làm cho điện trường quyên biên động 11.3 CÁC HIỆN TƯỢNG ĐIỆN TRONG KHÍ QUN 11.3.1 Dịng điện khí quyền Như đà nói, có thê vi Trái Đất tụ diện thiên nhiên khống lồ mà mặt đất bàn cực âm cịn lóp qun trẽn cao bán cực dương Giừa hai bán cục lớn ln ln có dịng điện dan Các dịng diện thơng thướng có hướng tù xng dưới, chi có ó đám mây dỏng, dõng diện mõi có hướng từ lên cường dộ điện trường hưởng lên trcn Ngoài dõng điện dần qun có thê tơn cảc dỏng điện sau đây: dõng điện sét dỏng diộn mũi nhọn, dòng diện giáng thủy dỏng điện khuêch tán - Dòng điện sét: Ngay dtrới đám mây dỏng, cưởng độ điện trường thường rãt lớn hướng từ mặt đát lên đám mây Khi có sét đánh xng mặt đát có lượng diện tích âm lớn tử đáy mây xuống mặt đất chi khoảnh khắc Người ta gọi phóng điện dòng diện sét 303 Cường độ dòng điện set dạt tới giá tri ràt lớn làm cho khơng dọc dường truyền cùa bị nóng lẽn dừ dội giàn đột ngột, phát ánh sảng chói lỏa vã kẽm theo tiêng nỏ dừ dội Tuy nhiên, dịng điện sét đói cịn xảy phần đám mày dông dinh mây với lớp khí quyên trcn cao mã chủng ta nhìn thây - Đống điện mùi nhọn: Khi điện trường gằn đâm mây dỏng chưa đú mạnh để tạo sét khống khơng vật nhọn dan điện mặt đàt nhô dinh mày với đáy mày van có phơng điện mã không phát tiếng nổ ãnli sáng Sớ dĩ cỏ phóng điện náylã vi: Ờ đầu vật dan nhọn trẽn mật dat cột thu lịi cày nhà, v.v dinh mây tập trung nhiêu điện tích trãi dấu vói điện lích cũa dãy mày lãm cho cường độ điện trưởng cãc mũi nhọn lớn hem đu dê gia tỏc cùa ion không đọt tới mức có thê phá phân tử trung hòa tạo ion mới; ion lại tiếp tục ion hóa củc phần tứ khác v.v tạo phán ứng dây chuyền Nhở độ dẫn điện cua khơng khí tảng mạnh, tạo dõng điện trẽn mùi nhọn nói lớn hem hãn chỏ bang phảng Người ta gọi lã dỏng điện mũi nhọn hay phóng điện lăng lồ - Dõng diện giáng thúy: Do cảc hạt giảng thủy có thê tích điện có giáng thúy, chúng mang tới mặt dât lượng diện tích dó lương dương với dịng điện, dược gọi dòng điện giáng thúy Qua so liệu quan trác ta thấy: điện tích trung binh cùa hạt giáng thúy mang điện tích dương thường nhó hem cua hạt giáng thúy mang điện tích âm so lượng hạt mang điện tích dương thưởng lớn nhiều hạt mang điện tích âm, nên giáng thủy thường mang điện tích dưong đến cho mặt đất - Dõng điện khch tán (dịng điện dơi lưu): Khi quyến có cân bâng giừa số ion dương ion âm thi cãc chuyền dộng rói chuyên dộng phân tư cua khơng khí làm phân tán diện tích từ nơi có mặt dộ điện tích cao sang noi có mặt độ diện tích tháp hon tạo ta dỏng điện khuếch lãn Vi thành phân chinh cua dỏng diện thường theo phương thăng dửng, chu ycu chuyền động dối lưu gày nên người ta gọi dõng điện dối lưu 11.3.2 Các tượng điện khí quyền 11.3.2.1 Sự phân cực điện mây dóng Các kẽl nghiên cứu cho thấy rủng, đám mây sau thời gian phát trièn bị phân cực diện, tức tạo hai trung tàm diện tích trãi dầu nãtn cách khoang não dó 304 Đê mơ ta phân cực điện cùa mây, ta chọn đám mây đơi lưu có bê dày lớn; lúc đầu mảy chưa bị phân cực điện, sau (hởi gian phát trièn phần trơn đám mây thường tích điện dương, cỏn phản cùa đám mây tích diện âm (hình 11.5) (a) (W Hình 11.5 Mồ hlnh phẳn bó điện tích mẳy đóng Sự phân cực điện cua mây gọi lã sụ phân cực dương Đôi khí có thề gặp đâm mây phân cực âm, tức nứa cùa mày tích điện âm, cịn nứa tích diện dương Tuy nhicn, phàn cực âm phái khao cứu thêm Khi điện tích cua phản trẽn đám mây đu lớn sè tạo điện trưởng đu mạnh thi điện sê xảy khống khơng gian giừa chúng giừa chúng với mặt đát Những đám mây gọi dám mảy dông; chúng thường cho mưa rào kêt hợp với chớp, sâm set Cũng cằn lưu ý ràng, đám mây phân cục dương nhiều phan mày quan sát vũng hẹp tích điện dương, có thè nhùng hạt tích điện dương từ đinh mày rơi xng Có nhiều lý thuyết giai thích ngun nhân phân bỗ điện tích dám mây như: lý thuyết phân ly trọng lực lý thuyết nhiệt lực lý thuyết va chạm, lý thuyết đối lưu hay lý thuyết vụn cảc giọt nước V.V Nhưng nay, chưa có lý thuyết não giãi thích dây du trình hình thành phàn cực diện mây Đicu dó có le mây 305 khơng phai chi cỏ mả có nhicu co chè phàn ly diện tích tơn mồi giai đoạn phát triển cua mảy có thê có vài chể đõ trơ nên chiếm ưu 11.3.2.2 Sự phóng điện máy dịng Do kct qua sir phản cục điện, tức lã phản chia tập trang điện tích trãi dấu phàn khác cua dám mây dơng, nen có điện trường dược hĩnh thành đám mây vã ca khống khơng gian xung quanh đám mây Cho nen, cưỡng dộ diện trường ỡ gẩn mặt đất có lúc đạt tới kilơvơn mét Khi dó phần cùa đám mây hay giửa đám mây với mặt đất xáy nhùng sụ phóng điện mành liệt, người ta gọi lả chóp hay sét Chớp: Khi phóng điện, dịng điện dụt tới giã trị lón làm cho khơng dọc theo đường truyền bị nóng lên dội giãn nở dột ngột, phát ánh sáng chói vã kẽm theo tiêng nỏ âm vang, V.V Tia ánh sáng chói dó dược gọi chóp, tiêng nõ âm vang kèm theo chớp gọi sấm Dựa vào hình dạng he quan sát được, người ta phân chia chớp thành: chớp đuờng chớp mật chớp chuỗi vả chóp cầu: • Chớp đường: Hay quan sát thấy lã chớp dưỡng: chớp đuững có nhiều dạng khác Nhìn chung, chớp đường tia lưa điện không lỏ phân nhiêu nhánh Chiêu dãi cua chớp dưỡng thường vào khoang 2-3 km dõi có the đạt tới 15 - 20 km mây Theo nhà khao cứu chớp dường gom loạt phóng diện (chân xung), nôi tiẽp Một tia chóp dường thường cỏ khoang từ l - chân xung; khoáng thời gian chân xung chi ước chừng mây phân trâm giây thời gian cùa tia chớp dưỡng chi vào khoảng vài phần mười giãy • Chóp mật (chớp phàng): Chớp mật tượng phóng điện với thời gian rắt ngan, xáy đám mây dỏng Chớp mạt có thê bao trùm cà phận lớn đám mây Tuy nhiên, quan trắc cân phàn biệt chóp mặt với tượng đám mây sáng lên tia chớp đường xa sau đám mây gây mà người ta thường gọi lả chóp nguồn + Chớp chuồi: Chớp chuồi dụng chóp rát gặp, bao gơm hình cầu sãng nãm dọc theo đường cong trcn đường phóng điện vừa xây trước nõ xuãt t Chớp câu: Chớp cằu thường xuãt sau sụ phóng điện mạnh cùa chóp dưỡng vã cỏ dạng quã câu sáng, dôi kéo dãi hình q lê Kích thước cũa chớp cầu khơng lớn lủm vào khống 15 20 em vả dơi có the lên tới mét Chóp cầu de quan sát thây chóp chuỗi kéo dài lâu có the den may phút Qua càu thường sáng đèn lóa đơi ngà màu đo nhạt Chớp cầu có thê di chuyên với vận tỏc dạt tời rn/s Trong di chuyên, chớp câu phát tiêng rít vi vu tan biên di với tiêng rọn vỡ nhị, dơi có thê tiêng nõ kin với mùi khói khét lẹt Chớp càu bay vào nhã qua cửa, cừa sổ, ống khói, v.v có thè làm cháy nô đô nhà đố cửa 306 Cho den chưa có giai thích khoa học chinh xác vê chóp câu Tuy nhicn cảc nhà khoa học đâ hướng tới ý tương là: chớp cảu hình tliãnh khơng chi lã điện mà có the cịn có kct hợp cua q trinh vật lý, hóa học dó xáy ra, V.V a) Chớp đưởng b) Chóp cầu Hình 11.6 Một só hình ảnh minh họa vẻ chớp - Sét: Khi phông điện xay dám mây mặt dàt người ta gọi set Sét có thè tạo thành bời cột tro vụ phun trào cua núi lữa trận cháy rừng lớn dội tạo khỏi đặc đu đê dan diện, dan đen phóng diện xây đâm mày mật dắt, gọi sét khô Đen mối liên quan cảc tượng điện khí qun, ta có thê phân biệt chớp, sấm, sét sau đây: Hai đám mây tích điện trái dâu gần giừa đám mây với mặt đất hiệu điện the chúng có the lên tới hãng triệu vỏn, thi chúng cỏ tượng phóng tia lưa điện ta nhìn thây tia chớp Vi vận lịe ánh sáng lớn hon vận tóc tiêng dộng, nên phai vãi giây sau ta nghe thây tiêng nị âm vang, dó sâm Khi mày dịng tích điện di chun gân mặt đàt, lới khu vực trơng trái gặp vật có độ cao nhu cõi, vật dan điện mặt đất nhu người cằm cuốc xèng, v.v sè cỏ tượng tia lừa điện giừa dám mây vã mặt đất sét Một điều dề thây di chuyên, sét tìm đường não dề nhãt đe Càng gân tới mặt đàt kiên trúc tính chât điện cùa vị trãi đât ãnh hưởng nhiêu đen đường cùa sét Sự phóng điện cùa sét hương phía lớp khơng sát mặt đất náo có độ dan diện lớn nhât Những lớp không dõ thường nơi tièp xúc với dung 307 nham địa chắt dẫn diện tốt nằm lịng dất, chí ca nơi tiếp xúc với mạch nước ngầm Đó lã khu vực mà sét thích “đảnh” vi nơi nhai lã vị tri địa hình cao sê nơi tích diện rât lờn thúc dày điện tử cãc đám mây xuống mật đất tạo thành sét Cũng giơng chóp, sót cỏ thê lã dọng sót tia hình re sét chuồi đỏi cà sét Sét gặp song hĩnh thành thường nhũng cầu lứa bay là mặt đãt theo chiêu giỏ gặp chướng ngại vật bãi kỳ có thê nị tung tàn phá nặng nề xung quanh khu vục nô Như vậy, đánh xuồng mặt đẩt set có thề gãy tổn thất to lởn người vã cùa Do điều quan trọng phái đề phương pháp phịng chơng sét a) Sét hình rể b) Sét hịn Hình 11.7 Một sổ hình ãnh minh họa vẻ sét Các phương pháp phòng chống sét: Có nhiêu phương pháp chỏng sét Có thẽ chia phương pháp chỏng sét có thành hai nhóm: - Nhóm phương phãp chõng sét có tính chât bao vệ, có tác dụng thu lây điện tích cùa sét đua diện tích vào lịng đât theo đường dan khơng có hại đà bố trí sần cột chóng sốt (cột thu lơi); - Nhóm nhùng phương pháp phịng chỏng sét cỏ tinh chat đề nham mục đích ngân ngửa kha xảy sét Những phương pháp quy vắn đề lã tàng cưởng dỏng điện lích tử mặt đãi băng mũi nhọn, tăng cường ion hóa cách nhàn tạo lớp khơng khí từ mặt đât lèn chân dám mày ben khu vực cân dược bao vệ Như the ngàn ngửa dược sụ phát triên cùa diện tích dỏng dưa diện tich khoi dám mày dịng cách yen tĩnh Tuy nhiên, phương pháp thuộc nhóm nghiên cứu thèm Trong công trinh xây dựng, trẽn dinh cảc nhã cao tang, người ta thường bo tri hệ thịng chịng sét, cột thu lõi 308 Cột thu lỏi có câu tọo dơn giàn, dó hộ thịng bao gơm kim nhọn bãng kim loại, có đường kính vào khoang cm, gãn lên mái nhà nơi với mặt dàt bãng nhũng dây kim loại có đường kính tirơng tụ Vật liệu làm hộ thõng cột thu lơi địi hói phái kim loại có độ dẫn điện thật tốt; không với lượng lỏn cùa tia sét kim loại câu thảnh CỘI thu lỏi sè bị nóng rãt nhanh vả hệ thong sè bị hông tửc khác Với cột thu lỏi cỏ điện từ cãc đám mây xuống mặt đất sồ tạo đường dẫn có điện trớ thấp đến mặt đắt lãm cho dõng điện cực lớn lữ tia sẻt đánh xuống sẻ thẳng xuống đất cách an tồn Ngay ca sét có xu hướng đánh vào khu vực lán cận cùa cột thu lỏi VỚI điện trơ nhó cua minh, cột thu lơi góp phân định hướng cho tia sét dánh vào nó, dịng diện tia sét từ mà truyền thảng xng dàt mã khơng gây thiệt hại cho cá khu vực xung quanh cột thu lòi Tuy nhiên, nói lảng: phịng chống sét tuyệt đối điều khơng thẻ lồi người Hiện không chi Việt Nam mủ cá giới, chi có the nghiên cứu đế giám thiểu tói đa tác hại cua loại hĩnh thiên tai lien the giới, ủy ban Kỳ thuật Điện Quốc tể (1EC) hồn thiên đưa "Các tiêu chn phịng chóng set", o Việt Nam, ban hành tiêu chuân ngành có liên quan đen vấn de phòng chống sét như: TCN 68-167:1997, TCN 68-135:2001, TCN 68174:2006, TCXDVN-46-2007, TCVN 8071-2009 ỌCVN 32:201 l/BTĨTT, TCVN 935:2012, V.V Đoi với cộng đồng, việc phơ biến kiên thức phịng chong sét lã diều can đặc biệt quan tâm Có thể khuyển cáo với cộng đồng số vấn đề sau đây: Điều đế phòng chổng bị sét đánh lã tắt cá người dân cộng đồng cân chu dộng năm băt rỗ kịp thời thông tin thời tiết - Khi trời sãp xáy dòng, người cân phai vào nhã trú án, khơng đứng gàn cứa vào, cùa sị, đô dùng điện; tránh xa cho âm ướt buông tàm, be nước, vôi nước, V.V không nen dũng điện thoại - Nên rút phich cầm cảc thiết bị diện trước lúc cỏ dõng xây vi hệ thống cảc đường dãy diện nhà nối với lưới điện bên nên rat de bị ánh hường sét đành lan truyền Nên tránh xa (ít nhắt lã m) đồ dũng điện nhu: radio, livi, V.V - Neu dang trời mà dõng đến cần lặp tức tìm nơi trú ấn Tuy nhiên, cằn cách xa khu vực cao xung quanh; tuyệt doi không dũng cao dê làm nơi trú mưa; không ticp xúc vật dụng có kim loại xe dạp, xe máy, hàng rào công bâng sàt, V.V - Khi trời mưa dông, người cám thấy có tượng sinh lý như: lạnh người sởn gai ốc, tóc tai bị dựng đứng, v.v thi điều rat có thè lủ sè bị sét đành; hủy CÚI ngưởi ngoi xuống lay hai tay che hai tai tuyệt đỏi không chỏng tay hay nàm xuống đất 309 CẢU HỐI THÁO LUẬN CHƯƠNG 11 Sự ton hóa lả gi? Các lác nhân ion hóa bán quyên gi? Nịng độ ion cùa quycn biên đơi cùa nó? Độ linh động cua ion lã gi? Đơn vị đo cũa nỏ? Các cách phân loại ion? Người ta thường sử dụng tiêu chuân phàn loại nào? Độ dan diện cùa khơng khi? Nó phụ thuộc vào gi? Tầng ion gi? Nó cỏ kiến trúc não? Sóng vị tun điện truyén bá khí quyên thè nào? Sự truyền xa cùa sóng vơ tuyền diện phụ thuộc vào gi? 10 Mỏ tã điện trường cùa quyên? 11 Thê mặt đãng thê? Mô ta hệ thơng mật đàng thê khí qun? 12 Cưởng đọ điện trường quycn gradient điện the gi? Đon vị đo cùa chúng lã gi? 13 Cường độ điện trưởng quyên biến đôi theo thời gian vả khơng gian nhu não? 14 Có dịng điện xt khí qun? 15 Mị ta phân cực điện đám mây dông? 16 Sự hình thành chớp? Các loại chớp có thẻ xãy quyển? 17 Thê dược gọi sét? Có the phân biệt chóp, sàm vã sét the nào? 18 Các phương pháp phòng chõng sét? 310 TÀI LIEU THAM KHÁO https://public.wmo.int/cn Nguyễn lường Điền Khi lượng vật lỷ, NXB Đại học Quốc gia NỘI 2002 Phạm Ngọc Hị Hồng Xn Cơ Cơ sớ khí tượng học, tập Ị ì NXB Khoa học Kỳ thuật 1991 Edward Aguado & James B Burt Understanding Weather and Climate NXB Pearson College Div; Student edition, 2012 Roland B Stull Meteorologyfor Scientists and Engineers NXB Gary Carlson 2000 GIẢO TRÌNH KHÍ TƯỢNG HỌC NHÃ XUÀT BAN BÁCH KHOA HẢ NỘI SỐ - Đại Cồ Việt - Hai Bã Trưng - Hả Nội VPGD:Ngõl7 Tạ Quang Bừu DT: 024 38684569; Hai Bà Trưng Hả Nội Fax: 024 38684570 https://nxbbachkhoa.vn Chịu trách nhiệm xuât hán: Giám đéc - Tồng biên tập: TS BÙI ĐỨC HÙNG Biên tập: NGUYÊN THỊ TI IU Sưa hán in: vừ TH| HẢNG Trình bày bìu: DƯƠNG HỒNG ANH In 70 khố (19 X 27) cm Còng ty TNI III In - Thương mại Thuận Phát, thôn Yên Vinh, xà Kim Chung, huyện Hoải Đức Hà Nội Số xuất bán: I I8-2023/CXBIPH.40-0I BKHN: ISBN: 978-604-316-990-4 SỐỌDXB: 394 QD-DHBK-BKHN ngày 13/6'2023 In xong nộp lưu chiêu năm 2023