Thời tiết và khí hậu - Phần 2 Nước trong khí quyển - Chương 7 pot

http://www.ebook.edu.vn 243 Chơng 7 Các quá trình giáng thủy Chúng ta thờng nghĩ về ma lớn v các tác động môi trờng của nó nh những sự kiện ngắn ngủi, thoáng qua. Một trận ma bất ngờ có thể gây lụt lội trong vi phút, nhng sự nguy hiểm thờng kéo di trong hng giờ hoặc đại loại nh vậy. Tuy nhiên, đôi khi các điều kiện môi trờng tồn tại từ trớc có thể lm cho một trận ma có một ảnh hởng nghiêm trọng hơn nhiều so với thông thờng. Trận lụt lớn ở miền Trung Tây nớc Mỹ năm 1993 l một ví dụ điển hình. Những điều kiện gây lụt lớn đã bắt đầu từ mùa thu năm 1992, khi ấy những trận ma dai dẳng đã lm bão hòa đất trên khắp miền Trung Bắc nớc Mỹ. Mùa thu nhiều ma lại đợc nối tiếp bằng một mùa đông tích tụ đầy tuyết. Tổ hợp của khối tuyết dy đặc bên trên đất đã bão hòa luôn l biểu hiện của nguy cơ lụt úng đối với mùa tuyết tan, song năm 1993 đã thực sự tỏ ra tồi tệ hơn bất kỳ ai có thể hình dung, bởi vì mùa tuyết tan lại đợc nối tiếp ngay bằng những trận ma lớn bất thờng trong tháng 6 v tháng 7. Cờng độ lũ lụt lớn cha từng thấy. Tại Saint Louis, Missouri, sông Mississippi đạt mực nớc 6 m bên trên mức lũ. Một con sông, bình thờng rộng khoảng 800 m ở gần Saint Joseph, Missouri, đã lan rộng ra đến 10 km, lm cho gần nửa quận Saint Charles ngập trong nớc (hình 7.1). Tại thnh phố Kansas, Missouri, sông Missouri nâng lên cao 6,7 m so với bờ. Khắp miền Trung Tây, hng chục nghìn ngôi nh bị h hại hoặc phá huỷ do lũ lụt, vì to n bộ các vùng xung quanh v 77 thnh phố nhỏ chìm trong nớc. Lũ lụt thậm chí còn chia sẻ phần cay đắng mỉa mai của mình: Des Moines, Iowa bị thiếu nớc uống trong 12 ngy vì nớc lũ ô nhiễm. C dân Jacki Meek, 40 tuổi, ở ngoại ô Saint Louis, đại diện cho 85 000 ngời phải sơ tán khỏi nh của mình đã nói Tôi cảm thấy mình bây giờ gi tới 65 tuổi, tôi thấy nh của mình trên chơng trình thời sự, v tôi chỉ biết kêu khóc. Ma v các hiện tợng giáng thủy khác l một thực tế cuộc sống đối với tất cả mọi ngời, mặc dù bình thờng thì hậu quả của nó còn xa mới bằng lũ lụt năm 1993. Thực tế, việc tìm kiếm đáp án cho câu hỏi cái gì lm nên giáng thủy có thể đã l một trong những lý do để bạn lật trang quyển sách ny. Trong chơng 6, chúng ta đã biết về những quá trình dẫn đến hình thnh các loại mây cho giáng thủy v không cho giáng thủy. Trong chơng ny, chúng ta giải thích các quá trình m nhờ đó các giọt mây v các tinh thể băng cha gây ma lớn lên đủ để rơi xuống thnh giáng thủy. http://www.ebook.edu.vn 244 Hình 7.1. Lũ lụt trên các sông Mississippi v Moussouri. ảnh bên trên cho thấy vị trí bờ của hai sông ny ở tình huống bình th~ờng. Lũ lụt cực hạn v~ợt bờ đã lm ngập những vùng rộng lớn của một số bang ở phần Trung Tây trong mùa hè năm 1993 (ảnh d~ới) Sự lớn lên của các giọt mây Khi hoạt động riêng lẻ, trọng lực sẽ lm tăng tốc độ các vật rơi xuống phía bề mặt. Nhng trọng lực không phải l lực duy nhất tác động lên một vật đang rơi; trong cùng thời gian, không khí tác động một lực cản, hay kháng lực. Khi tốc độ tăng lên, lực cản cũng tăng, cho đến khi lực cản cân bằng với trọng lực v gia tốc bị triệt tiêu. Vật vẫn rơi, nhng với một tốc độ không đổi, vận tốc dừng. Nếu không có gì đặc biệt, tốc độ dừng phụ thuộc vo kích thớc, các vật nhỏ rơi chậm hơn nhiều so với vật lớn. (Chúng ta sẽ xem xét tỉ mỉ mối liên quan giữa kích thớc v tốc độ dừng trong chuyên mục 7.1: Những nguyên lý Vật lý: Vì sao các hạt mây không rơi). http://www.ebook.edu.vn 245 Nh chúng ta đã nhắc đến, các giọt mây rơi chậm do chúng rất nhỏ. Các giọt mây có kích nhỏ l vì trong thực tế có rất nhiều các nhân ngng kết; do đó, nớc trong mây phân bố cho rất nhiều hạt nhỏ chứ không tập trung vo một số ít những hạt lớn hơn. Với kích thớc nhỏ, các giọt mây lúc đầu có tốc độ dừng cực chậm, chúng không thể đạt tới bề mặt. Hiệu ứng ny thể hiện rõ trên hình 7.2, hình ny biểu diễn các tốc độ dừng của các hợp phần mây khác nhau. Những hạt mây nhỏ nhất l các nhân ngng kết, trên đó các giọt nớc lỏng hình thnh (để đơn giản, hình ny chỉ áp dụng đối với mây gồm nớc lỏng, không có các tinh thể băng). Các nhân ngng kết nhỏ đến nỗi chúng rơi xuống với một tốc độ chậm không nhận ra đợc. Những giọt mây lớn hơn (nhng không rơi xuống thnh ma) điển hình có bán kính từ 10 đến 50 m (hãy nhớ lại, 1 m bằng một phần triệu mét). Các hạt mây ny có tốc độ rơi từ khoảng 1 đến 25 cm/s. Một cách tơng phản, những hạt ma lớn hơn nhiều, đợc thể hiện trên hình, rơi với tốc độ 650 cm/s, nhanh gấp 25 lần. Hình 7.2. Các đặc tr~ng trung bình của các hợp phần mây Những giọt ma rơi xuống bề mặt khi chúng trở thnh đủ lớn sao cho trọng lực vợt qua đợc hiệu ứng của các dòng thăng. Thế no gọi l đủ lớn? Nếu xét theo bán kính, những giọt ma lớn hơn các giọt mây điển hình khoảng 100 lần. Với kích thớc đó, phần lớn các phân tử nớc nằm ở phần bên trong của giọt mây, chỉ một số tơng đối ít các phân tử ở mép ngoi tiếp xúc với khí quyển. Vì chỉ có một tỉ phần nhỏ hơn bị lực cản, vận tốc dừng sẽ đủ lớn để giọt mây rơi thnh ma. Chúng ta cần lu ý rằng, nếu xét theo thể tích hay khối lợng nớc, các giọt ma lớn hơn so với các giọt mây một triệu lần chứ không phải chỉ một trăm lần. Đó l vì thể tích hình cầu tỷ lệ với lập phơng của bán kính. Nếu bán kính lớn hơn 100 lần, thì thể tích lớn hơn l 100100100 ìì (1 triệu) lần. Các giọt ma không hon ton l hình cầu, nhng nguyên tắc ny vẫn đúng: các phần tử giáng thủy thờng lớn hơn nhiều lần so với những giọt mây. ít ra l dới giác độ một giọt mây, mặc dù http://www.ebook.edu.vn 246 chúng ta không cho rằng mây l những vật rơi lớn, nhng thực sự l nh vậy. Trong các mục tiếp theo của chơng ny, chúng ta sẽ tổng quan những quá trình tạo thnh những vật rơi khổng lồ đó. 7-1 Những nguyên lý vật lý: Tại sao các hạt mây không rơi? Bạn có lẽ đã quen thuộc với truyền thuyết - thí nghiệm của Galileo Galilei cuối thế kỷ 16, cho hai vật rơi, một nhẹ v một nặng, từ trên tháp nghiêng Pisa. Cả hai vật chịu cùng một gia tốc trọng trờng, chạm tới mặt đất gần nh cùng một thời gian. Biểu diễn của Galileo có vẻ không phù hợp trải nghiệm hng ngy của chúng ta, vì một con kiến rơi từ nóc tòa nh cao tầng xuống đất chắc phải lâu hơn một quả cầu. Nó cũng không giống với nhận định của chúng ta rằng những giọt mây nhỏ thì rơi chậm. Lời giải phải l: có lực khác tác động lên các vật đang rơi ngoi trọng lực, thật vậy, có lực cản của gió, hay trở kháng. Bằng cách xem xét hai lực ny cùng tác động nh thế no, ta sẽ hiểu thêm vì sao các hạt mây không rơi. Để dễ bn luận, ta giả thiết các hạt có hình cầu khi dùng các hình dạng thực tế hơn thì cũng sẽ không lm thay đổi những kết luận của chúng ta. Định luật thứ hai của Newton nói rằng: nếu một lực ròng tác động lên một khối lợng, khối lợng đó sẽ có một gia tốc (hay thay đổi vận tốc theo thời gian). Đối với một khối lợng đang xét, gia tốc tỷ lệ thuận với lực. Dới dạng phơng trình, định luật ny viết thnh: tốcgiaợnglkhốirònglực ì= . Hãy lu ý, định luật thứ hai của Newton nói rằng ta xét lực ròng tức l kết quả của tất cả các lực tác động lên vật. Khi xét giọt nớc đang rơi, nó có trọng lực hớng xuống dới, bị chống lại bởi lực cản của gió (trở kháng). Một giọt nớc vừa mới sinh ra trong khí quyển rơi với tốc độ tăng dần, nhng không tăng vô tận. Dần dần lực cản )( d F cân bằng với trọng lực )( g F , kết quả l không còn lực ròng: 0== dg FFrònglực . Không có lực ròng thì không có gia tốc v giọt nớc rơi với vận tốc tốc rơi dừng của nó. Giọt nớc rơi nhanh nh thế no? Để trả lời câu hỏi ny, ta cần biết một chút về độ lớn của hai lực. Trọng lực Trọng lực tỷ lệ thuận với khối lợng. Khi ta bớc lên chiếc cân, chính l ta đo lực ny. Đối với một giọt mây không chứa gì khác ngoi các phân tử nớc, khối lợng chính l mật độ nhân với thể tích. Vậy ta có g F bằng 3 3 4 rF g = , ở đây l mật độ của nớc v r l bán kính giọt. Lực cản Trở kháng giữa giọt v không khí xung quanh phụ thuộc vo tốc độ rơi v kích thớc của giọt. Giống nh một ô tô đang chạy trên đờng cao tốc, một giọt nớc chịu lực cản mạnh hơn khi nó chuyển động trong không khí. Thực tế, một cách gần đúng, lực cản tăng theo bình phơng của tốc độ gió )( 2 v . Vậy kích thớc ảnh hởng tới lực cản nh thế no? Đối với một hình cầu, ảnh hởng của kích thớc giọt nớc chủ yếu l do diện tích của bề mặt. Khi diện tích bề mặt tăng, lực cản tăng theo một cách tỉ lệ thuận. Nếu nhớ lại l, diện tích bề mặt hình cầu http://www.ebook.edu.vn 247 cầu bằng 2 4 r , ta có thể kết hợp các ảnh hởng của tốc độ v của diện tích bề mặt thnh 22 4 rkF d = , trong đó k l một hằng số. Giá trị của k không quan trọng ở đây; vấn đề l d F tỉ lệ với bình phơng tốc độ rơi )( 2 v v bán kính )( 2 r . Vận tốc dừng Đối với một giọt nớc rơi với vận tốc dừng, ta đã nói rằng trọng lực v lực cản bằng nhau. Nếu dùng t v l vận tốc dừng, ta có )()( dg t FF rkvr 223 4 3 4 = Để xác định vận tốc dừng, ta sắp xếp v giải ra đối với t v : rk rrk rkrv t á ạ ã ă â Đ á ạ ã ă â Đ = = = / // / 3 1 4 3 4 4 3 4 23 232 hay rcv t = , ở đây kc / 3 1 = l một hằng số. Nhờ công thức ny, ta nhận đợc một kết quả quan trọng: khi bán kính giọt tăng, thì vận tốc dừng tăng. Một cách tơng đơng, các giọt lớn rơi nhanh hơn các hạt nhỏ. ý nghĩa vật lý ở đây l: cả trọng lực lẫn lực cản đều tăng theo bán kính, nhng trọng lực tăng nhanh hơn so với lực cản v vì vậy đòi hỏi một tốc độ rơi cao hơn để bù cho g F . Chú ý rằng, đối với giọt nớc, rơi với tốc độ t v trong khí quyển đứng yên thì cũng hon ton giống nh nó đứng yên trong không khí nâng lên với tốc độ t v . Nh vậy, công thức ny nói rằng cần một dòng thăng mạnh để giữ một giọt nớc lớn ở trên cao, còn một giọt nớc nhỏ thì dễ lơ lửng. Trở lại với trờng hợp tháp nghiêng Pisa đã mô tả ở trên, bây giờ ta có thể hiểu vì sao các vật của Galileo đã rơi gần nh với cùng một tốc độ. Đối với những vật lớn nh thế, trọng lực lớn hơn lực cản rất nhiều trong suốt quãng đờng rơi ngắn ngủi. Nếu bỏ qua lực cản, trọng lực lm tăng tốc độ của cả hai vật gần nh với cùng một mức độ. Nếu nh Galilei dùng các vật với kích thớc rất khác nhau, hoặc nếu nh các vật rơi đủ xa để đạt tới vận tốc dừng, thì chênh lệch về tốc độ có thể xuất hiện. Chuyện về sức cản của gió cũng hon ton nh vậy, v những cuốn sách giống nh sách ny sẽ không cần bn về chủ đề ny nữa. Lớn lên do ng~ng kết Khi các giọt mây bắt đầu hình thnh do sự lạnh đi đoạn nhiệt của không khí thăng, chính l chúng hình thnh ở trên các nhân ngng kết. Nhng trong phạm vi một vi chục mét bên trên mực ngng kết thăng, tất cả những nhân ngng kết hiện có đã hút lấy nớc, còn sự ngng kết tiếp theo no đó chỉ có thể diễn ra trên các giọt đang tồn tại ấy. Sự ngng kết có thể lm cho các giọt nớc rất nhỏ lớn lên nhanh, nhng chỉ đến khi chúng đạt tới những bán kính đến khoảng 20 m, bán kính đó vẫn còn l rất nhỏ so với kích thớc cần thiết để rơi xuống thnh ma. Sau thời điểm ny, sự tăng trởng tiếp theo do ngng kết l nhỏ nhất. Để hiểu tại sao, hãy nhớ lại rằng hơi nớc trong không khí chỉ còn tơng đối ít để ngng kết. Với nhiều giọt nh thế tranh nhau một lợng nớc hạn chế thì không giọt no có thể lớn lên rất nhanh http://www.ebook.edu.vn 248 đợc. Rõ rng l nếu nh tăng trởng do ngng kết l quá trình tác động duy nhất, thì chúng ta sẽ thấy rất ít ma, nếu nh có, trên Trái Đất ny. Vì vậy, chúng ta cần biết rằng quá trình ngng kết chỉ l điểm xuất phát của ma v tuyết, không phải l ton bộ nguyên nhân. Có hai quá trình khác có trách nhiệm lm cho giọt mây lớn lên tiếp, tầm quan trọng tơng đối của hai quá trình đó tùy thuộc vo các đặc trng nhiệt độ của mây. Lớn lên trong mây ấm Phần lớn mây cho ma ở các vùng nhiệt đới v nhiều mây ở các vĩ độ trung bình l những đám mây ấm, luôn có nhiệt độ lớn hơn 0 o C. Trong mây ấm, quá trình va chạm - liên kết gây nên giáng thủy, quá trình ny phụ thuộc vo tốc độ rơi khác nhau của các giọt với kích thớc khác nhau. Các giọt mây có các kích thớc khác nhau, v do đó, có các vận tốc dừng khác nhau. Hãy nhìn hình 7.3 xem điều gì sẽ xảy ra khi giọt lớn nhất (gọi l giọt thu loợm) rơi trong một đám mây ấm. Khi giọt thu lợm rơi xuống, nó vợt qua một số giọt nhỏ hơn trên đờng đi của mình, bởi vì vận tốc dừng của nó lớn hơn. Điều đó mang lại cơ hội cho sự va chạm v liên kết. Sự va chạm. Khi rơi, một giọt thu lợm va chạm chỉ với một số giọt trên đờng của nó. Xác suất va chạm phụ thuộc vo cả kích thớc tuyệt đối lẫn kích thớc tơng đối của giọt thu lợm so với những giọt nớc phía dới. Nếu giọt thu lợm lớn hơn nhiều so với các giọt nớc ở phía dới, tỉ lệ những lần va chạm (hiệu suất va chạm) sẽ thấp. Hình 7.4 cho thấy vì sao. Khi giọt thu lợm rơi, nó nén không khí trên đờng đi của mình. Không khí bị nén sẽ tạo ra một xung gió giật Hình 7.3. Vì hạt thu l~ợm có khối l~ợng lớn hơn, nó có tốc độ dừng lớn hơn (biểu diễn bằng độ di của mũi tên h~ớng xuống d~ới) so với các giọt nhỏ trên đ~ờng rơi của mình. Hạt thu l~ợm sẽ v~ợt qua v va chạm với các hạt nhỏ hơn yếu đẩy các giọt nhỏ dạt ra khỏi đờng đi. Tuy nhiên, gió giật yếu không thể đẩy các giọt lớn hơn ra ngoi v giọt thu lợm có thể va chạm với chúng. Kết quả l, hiệu suất va chạm sẽ lớn hơn đối với những giọt có kích thớc không nhỏ hơn quá nhiều so với giọt thu lợm. Bạn có thể đã chứng kiến một hiện tợng tơng tự ở một quy mô lớn hơn khi lái xe trên đờng nông thôn vo mùa hè, kính chắn gió phía trớc dồn những con côn trùng lớn đang bay bị kẹt lại thnh một đống nhỏ ở mép kính. Rất khó khăn để dạt ra bên cạnh bằng không khí bị nén ở ngay phía trớc kính chắn gió, chúng bay tiếp theo đờng của chúng cho đến khi thời điểm hiểm nghèo xuất hiện. Trái lại, những con bọ nhỏ hơn thì bị thổi tung ra khỏi con đờng tai họa. http://www.ebook.edu.vn 249 Hiệu suất va chạm cũng thấp đối với các giọt gần nh bằng nhau về kích thớc so với giọt thu lợm, vì vận tốc dừng của chúng gần bằng với vận tốc của giọt thu lợm, khi đó giọt thu lợm khó có thể đuổi kịp v va chạm với chúng. Lại tơng tự với tình huống ô tô, những vụ đụng độ giữa các xe ít khả năng xảy ra chừng no tất cả các xe chạy với cùng tốc độ v cùng hớng. Trong những tình huống nhất định, hiệu suất va chạm có thể thực sự vợt quá 100%, v giọt thu lợm có thể va chạm với nhiều giọt hơn số lợng giọt trên đờng đi của nó. Một giọt đang rơi tạo nên những cuộn xoáy rối có thể thu hút những giọt nhỏ ở bên ngoi đờng đi v mang chúng trở lại phía đỉnh của giọt thu lợm, ở đó sẽ xảy ra va chạm. Nghiên cứu gần đây sử dụng các mô hình toán cho biết rằng chuyển động rối dới dạng những cuộn xoáy lm tăng hiệu suất va chạm lên rất nhiều. Các xoáy rối có tác dụng nh những máy ly tâm nhỏ chia tách các giọt theo kích thớc khi chúng quay xung quanh tâm. Biến thiên kết quả về nồng độ sẽ lm tăng đáng kể suất va chạm trung bình. Ngoi ra, sự quay nhanh lm cho các dòng giọt nớc tách khỏi không khí giống nh một con thoi văng ra khỏi dây nối. Những giọt bị tách ra có xác suất va chạm cao với các giọt khác, cho nên quá trình ny cũng lm tăng hiệu suất va chạm. Tính toán cho thấy rằng, để cho ly tâm v hiệu ứng dây nối có thể xuất hiện thì chỉ cần chuyển động cuộn xoáy cỡ nhẹ, có nghĩa l các quá trình ny tác động trong phần lớn các đám mây. Sự liên kết. Khi một giọt thu lợm v các giọt nhỏ hơn va chạm, chúng có thể hoặc kết hợp lại để hình thnh một giọt duy nhất lớn hơn hoặc văng ra thnh nhiều mảnh. Đa số các giọt nớc va chạm thờng dính vo nhau. Quá trình ny đợc gọi l liên kết, v tỷ lệ phần trăm các giọt nớc va chạm liên kết lại với nhau đợc gọi l hiệu suất liên kết. Vì đa số các va chạm dẫn tới kết cục liên kết, nên hiệu suất liên kết thờng đợc chấp nhận bằng gần 100 %. Nói cách khác, chúng ta hon Hình 7.4. Khi một giọt thu l~ợm rơi (a), nó nén không khí ở phía d~ới nó (b). Điều ny tạo ra một građien áp suất v đẩy những giọt rất nhỏ ra khỏi đ~ờng (c). Các giọt nhỏ bị dạt sang bên v tránh khỏi bị tác động http://www.ebook.edu.vn 250 ton có thể bỏ qua hiệu suất liên kết của hai giọt có kích thớc tơng tự, bởi vì chúng ít khả năng va chạm ở vị trí thứ nhất. Sự va chạm v sự liên kết cùng với nhau hình thnh cơ chế quan trọng cho ma ở các vùng nhiệt đới, nơi những đám mây ấm chiếm u thế. Tại các vĩ độ trung bình, đa số các đám mây cho giáng thủy có các nhiệt độ đóng băng, ít ra l tại các phần phía trên của chúng. Điều đó tạo thuận lợi cho sự tăng trởng giáng thủy bằng một cơ chế khác liên quan tới sự cùng tồn tại của các tinh thể băng v các giọt nớc siêu lạnh, quá trình Bergeron (còn đợc biết đến nh quá trình Bergeron- Findeisen hoặc quá trình tinh thể băng) đợc mô tả trong mục tiếp theo. Lớn lên trong các đám mây mát v lạnh Khác với các bản sao của chúng tại vùng nhiệt đới, ít nhất một phần của đa số các đám mây vùng vĩ độ trung bình có nhiệt độ thấp hơn điểm tan băng. Nh trên hình 7.5a, một số đám mây có nhiệt độ thấp hơn 0 o C v cấu tạo hon ton từ các tinh thể băng, các giọt nớc siêu lạnh hoặc hỗn hợp của cả hai. Các đám mây đó gọi l những đám mây lạnh. Trái lại, mây mát (hình 7.5b) có các nhiệt độ lớn hơn 0 o C tại các biên phía dới v những điều kiện cận đóng băng ở phía trên. Nh chúng ta đã bn luận ở chơng 5, sự bão hòa tại nhiệt độ giữa -4 o C v -40 o C có thể dẫn đến sự hình thnh các tinh thể băng nếu có những nhân băng hiện diện hoặc hình thnh các giọt lỏng siêu lạnh nếu không có những nhân băng hiện diện. Nh vậy, một đám mây tích khá phát triển có thể cấu tạo hon ton từ những giọt nớc ở phần thấp của nó, một tổ hợp những giọt nớc siêu lạnh v những tinh thể băng ở phần giữa v những tinh thể băng hon chỉnh ở phần đỉnh trên cùng (hình 7.6). Các quá trình đợc mô tả trong mục ny hoạt động bên trong những đám mây lạnh v mát có hỗn hợp băng v nớc lỏng. Hình 7.5. Đám mây lạnh (a) có nhiệt độ thấp hơn 0 o C từ chân đến đỉnh mây. Đám mây mát (b) có nhiệt độ lớn hơn 0 o C ở các phần phía d~ới v có nhiệt độ đóng băng ở phần phía trên Nh chúng ta sẽ thấy, sự cùng tồn tại của băng v những giọt nớc siêu lạnh rất quan trọng đối với sự phát triển của phần lớn giáng thủy ở bên ngoi vùng nhiệt đới. Một quá trình, trong đó những giọt nớc v tinh thể trong các đám mây vùng vĩ độ trung bình lớn lên tới kích thớc cho giáng thủy đã đợc mô tả bởi một trong những nh khoa học lỗi lạc của khí tợng học hiện đại, Tor Bergeron. Quá trình http://www.ebook.edu.vn 251 ny do đó thờng đợc nhắc đến với tên gọi quá trình Bergeron. Nguyên lý cơ sở của quá trình Bergeron l áp suất hơi bão hòa xung quanh băng (lợng hơi nớc cần thiết để giữ băng ở trạng thái cân bằng) nhỏ hơn áp suất hơi nớc bão hòa xung quanh nớc siêu lạnh tại cùng một nhiệt độ. * Nói cách khác, nếu có vừa đủ hơi nớc trong không khí để giữ cho một giọt siêu lạnh không bốc thnh hơi, thì lợng hơi nớc đó thừa đủ để duy trì một tinh thể băng. Chúng ta sẽ xem xét điều ny dẫn đến giáng thủy nh thế no. _______________ Hình 7.6. Đám mây tích. Phần bên d~ới cấu tạo hon ton từ các giọt lỏng, phần giữa - hỗn hợp băng v n~ớc lỏng v phần trên - hon ton l băng. Phần đỉnh mây cấu tạo từ băng có ranh giới mờ nhạt hơn Hãy quan sát hình 7.7 v xét tình huống trong đó các tinh thể băng v các giọt nớc siêu lạnh cùng tồn tại, còn áp suất hơi nớc thì bằng với áp suât cần thiết để giữ các giọt nớc ở trạng thái cân bằng. Trên hình 7.7a tốc độ ngng kết vo giọt nớc lỏng bằng tốc độ bốc hơi. Nhng khi áp suất hơi nớc trong mây bằng áp suất hơi nớc bão hòa đối với giọt nớc, thì áp suất đó lớn hơn áp suất hơi bão hòa đối với băng. Điều ny lm cho một phần hơi nớc trong không khí bị ngng kết trực tiếp vo băng. Trữ lợng hơi nớc trong không khí sau đó bị giảm xuống v sẽ lm cho các giọt nớc lỏng bị bốc hơi vì nó nhờng nớc để phục hồi trạng thái cân bằng (b). Nhng quá trình ny cha kết thúc ở đây, bởi vì sự bốc hơi từ giọt nớc lm tăng trữ lợng hơi nớc của không khí, lợng hơi nớc đó lại tiếp tục ngng kết vo các tinh thể băng (c). Kết cục dẫn tới một quá trình chuyển hóa liên tục: các giọt lỏng nhờng hơi nớc, để rồi hơi nớc đó ngng kết vo các tinh thể băng. Nói khác đi, các tinh thể băng liên tục lớn lên nhờ những giọt nớc siêu lạnh tích tụ thêm vo. Mặc dù hình 7.7 diễn tả quá trình ny thnh các b ớc riêng biệt, nhng bố c hơi v kết tụ trong thực tế xảy ra đồng thời. Sự lớn lên của các tinh thể băng nhờ quá trình kết tụ hơi nớc thờng không đủ để tạo ra ma lớn, chỉ l ma nhẹ. Khi các tinh thể băng lớn lên, khối lợng của tinh thể tăng, chúng sẽ rơi trong mây v va chạm với những giọt nớc v những tinh thể băng khác. Những vụ va chạm nh thế gây nên hai quá trình quan trọng nữa có thể lm tăng rất nhanh tốc độ lớn lên của các tinh thể băng, đó l sự bồi kết * Đó l vì các phân tử trong một tinh thể băng liên kết với nhau chặt chẽ hơn so với các phân tử của nớc lỏng. Rất thú vị l điều ny không phải Bergeron phát hiện ra, nó đợc phát hiện nhiều năm trớc bởi Alfred Wegener, nh khoa học nổi tiếng hơn do những đóng góp của ông cho học thuyết kiến tạo mảng (đôi khi gọi l thuyết trôi lục địa). Đóng góp của Bergeron l đã áp dụng nguyên lý ny vo sự tăng trởng của các hợp phần mây v quá trình hình thnh giáng thủy. http://www.ebook.edu.vn 252 (phủ sơng muối) v kết cụm. Hình 7.7. Quá trình Bergeron. Nếu l~ợng hơi n~ớc trong không khí vừa đủ để giữ một giọt n~ớc siêu lạnh cân bằng, thì l~ợng đó thừa đủ để giữ một tinh thể băng cân bằng. Điều kiện ny dẫn đến kết tụ (tức chuyển pha từ hơi n~ớc sang băng) nhanh hơn thăng hoa (tức chuyển pha từ băng sang hơi n~ớc) v tinh thể lớn lên (a). Hơi n~ớc bị ít đi trong không khí lm cho giọt n~ớc phải bốc hơi (b). Bốc hơi từ giọt n~ớc lm cho không khí có thêm n~ớc v kích thích sự tăng tr~ởng tinh thể băng (c). Tuy ở đây biểu diễn một chuỗi các b~ớc riêng biệt, nh~ng các quá trình diễn ra đồng thời Bồi kết v kết cụm. Chúng ta đã thấy rằng sự hình thnh các tinh thể băng trong khí quyển thờng đòi hỏi phải có mặt những nhân băng, hay những hạt khởi động sự đóng băng. Trong thực tế, bản thân băng chính l một nhân băng rất hiệu dụng. Nh vậy, khi các tinh thể băng rơi trong mây v va chạm với các giọt siêu lạnh, nớc lỏng sẽ ngng kết thnh băng bám vo các tinh thể băng. Quá trình ny gọi l phủ soơng muối (hoặc l bồi kết), nó lm cho các tinh thể băng lớn lên nhanh, tiếp tục tăng tốc độ rơi v kích thích bồi kết hơn nữa. Một quá trình quan trọng khác trong phát triển giáng thủy l sự kết cụm, liên kết hai tinh thể băng để tạo thnh một tinh thể đơn lớn hơn. Sự kết cụm xuất hiện dễ nhất khi các tinh thể băng có một lớp áo mỏng bằng nớc lỏng để lm cho chúng dễ dính hơn. Nớc nh thế hay có nhất khi nhiệt độ mây không thấp hơn 0 o C quá nhiều, vậy sự kết cụm l quan trọng hơn ở phần ấm hơn của đám mây lạnh. (Có lẽ [...]... khi các hồ n ớc vẫn còn ấm Hình 7. 10 Tuyết nặng do hiệu ứng hồ n ớc ở Buffalo, New York Mùa đông năm 1 97 6-1 977 l một trong các mùa đông đáng nhớ nhất về l ợng tuyết do hiệu ứng hồ tại vùng hồ lớn Great Lakes, trong 51 ng y tuyết rơi do hiệu ứng hồ l ợng tuyết đã tích lũy kỷ lục trên to n bang New York 103 cm tuyết rơi trong thời gian 4 ng y từ cuối tháng 11 đến đầu tháng 12 tại Buffalo đã l một điềm báo... (hình 7. 9a) khá t ơng phản với phân bố l ợng giáng thủy l ợng m a cộng với l ợng n ớc t ơng đ ơng của tuyết Giáng thủy trên 2/ 3 diện tích phần phía đông của Bắc Mỹ giảm theo vĩ độ chứ không tăng, phần nhiều l do khoảng cách tới vịnh Mexico xa hơn nên hơi n ớc trong không khí ít hơn Hơn nữa, những nhiệt độ thấp điển hình gặp thấy tại các vĩ độ cao hơn l m giảm l ợng hơi n ớc có thể tồn tại trong không khí. .. M a kết băng (hình 7. 16) l một trong những sự kiện thời tiết dễ bị nhầm lẫn hơn cả Nó th ờng giống nh một trận m a nhẹ không có gì để gây ra phiền phức lớn Tuy nhiên, trong thực tế m a kết băng có thể thực sự l m tê liệt giao thông v liên lạc đối với h ng trăm km2 Hình 7. 16 M a kết băng M a kết băng bắt đầu khi có m a nhẹ hoặc m a phùn gồm các giọt n ớc siêu lạnh rơi v o không khí với nhiệt độ hơi... đá lớn có thể thấy trong phần t ơng đối mỏng của đám mây? 27 0 http://www.ebook.edu.vn 10 Băng ở trên đỉnh của đám mây vũ tích bên trên Colorado có thể đ ợc quan sát thấy 2 ng y sau ở bên trên phần phía đông của n ớc Mỹ L m thế n o m những tinh thể băng đó có thể sống sót m không bị giáng xuống th nh m a hoặc bị thăng hoa? B i tập luyện 1 Hãy th ờng xuyên xem xét bản đồ rađa thời tiết tại trang Web:... nhận đ ợc 3,6 m tuyết trong thời kỳ ba tháng bắt đầu từ ng y 1/11 ở phần phía bắc New York, nằm ở h ớng xuôi gió của hồ Ontario, thậm chí trữ l ợng tuyết còn lớn hơn, 9,5 m tuyết đã rơi trong một mùa đông ấy Tuyết hiệu ứng hồ n ớc cũng có thể xảy ra trên phần phía bắc của hồ Ontario Ví dụ, tháng 1 năm 1999, Toronto đã xảy ra một chuỗi các trận bão mang theo hầu nh 120 cm tuyết - kỷ lục tháng nhiều năm... ống gom n ớc v độ d i của phần bị ớt chỉ l ợng m a tích lũy Chi tiết bên trong của máy đo m a kiểu thùng đảo ng ợc (b) (a) Máy đo m a loại thùng đảo ng ợc (tipping-bucket gage) l máy có đầu gom tự động (hình 7. 18) cho chúng ta băng ghi về thời gian v c ờng độ m a Dụng cụ n y thu gom n ớc m a từ trên đỉnh, giống nh máy đo m a chuẩn, nh ng khi n ớc tích lũy nó đ ợc chứa v o một trong hai chiếc thùng quay... các đám mây, phần lớn l để giảm bớt hạn hán Quá trình n y gọi l gieo mây nhân tạo: ng ời ta thổi một trong hai vật v o trong các đám mây không tạo m a Mục đích l chuyển đổi một số giọt n ớc siêu lạnh trong một đám mây mát th nh băng v tạo ra giáng thủy nhờ quá trình Bergeron Một trong số các vật liệu, băng khô (CO2 đông kết băng), kích thích sự đóng băng vì nhiệt độ của nó rất thấp (d ới 78 oC) Khi đ... trận m a r o Vì mất nhiều thời gian hơn để rơi qua không khí ch a bão hòa, các giọt n ớc nhỏ dễ d ng bốc hơi tr ớc khi tới bề mặt (Tuy nhiên, sự bốc hơi sẽ giảm sau một ít phút, khi các giọt n ớc đầu tiên đã l m tăng đáng kể dung l ợng ẩm của không khí) Hình dạng giọt m a Một trong những chuyện hoang đ ờng thịnh h nh về thời tiết l nói rằng những hạt m a có dạng giọt n ớc mắt Trong thực tế, các giọt... với một fromt nóng (chúng ta sẽ xem xét trong ch ơng 9) Tất nhiên, một giọt n ớc m a sẽ không đông kết ngay lập tức, phải có sự lạnh đi đủ khi nó rơi trong không khí xung quanh Vì vậy, để m a tuyết phát triển, lớp không khí lạnh bên d ới một nghịch nhiệt phải khá d y Nếu nó quá mỏng một dạng m a lạnh khác sẽ xảy ra, m a đông kết 26 0 http://www.ebook.edu.vn Hình 7. 15 M a tuyết xảy ra nh m a rơi xuống... l m tốc 25 4 http://www.ebook.edu.vn Hình 7. 9 (a) L ợng tuyết trung bình năm, (b) giáng thuỷ trung bình năm ở Canađa v Mỹ http://www.ebook.edu.vn 25 5 độ gió chậm lại Giảm tốc độ gió gây ra hội tụ, một cơ chế l m cho không khí thăng v bị lạnh đi đoạn nhiệt nh đã mô tả ở ch ơng 6 Nh vậy, không khí lạnh đi qua các hồ n ớc cung cấp ba cơ chế thuận lợi cho giáng thuỷ: cơ chế thăng ban đầu, không khí bất . thế no. _______________ Hình 7. 6. Đám mây tích. Phần bên d~ới cấu tạo hon ton từ các giọt lỏng, phần giữa - hỗn hợp băng v n~ớc lỏng v phần trên - hon ton l băng. Phần đỉnh mây cấu tạo từ băng. trởng của các hợp phần mây v quá trình hình thnh giáng thủy. http://www.ebook.edu.vn 25 2 (phủ sơng muối) v kết cụm. Hình 7. 7. Quá trình Bergeron. Nếu l~ợng hơi n~ớc trong không khí vừa đủ để giữ. Hình 7. 10. Tuyết nặng do hiệu ứng hồ n~ớc ở Buffalo, New York Mùa đông năm 1 97 6-1 977 l một trong các mùa đông đáng nhớ nhất về lợng tuyết do hiệu ứng hồ tại vùng hồ lớn Great Lakes, trong 51