Thời tiết và khí hậu - Phần 1 Năng lượng và khối lượng - Chương 4 doc

Ch ơng áp suất khí v gió Gió gây tác động trực tiếp lên cảm giác kể điều kiện thời tiết dịu Một gió nhẹ l m cho buổi chiều nóng nực trở nên dễ chịu hơn, l m cho đêm đông trở th nh lạnh Nh ng đôi khi, chuyển động không khí tác động tới sống theo cách mạnh mẽ nhiều C dân vùng phía đông Washington v Oregon nhí m·i vỊ ®iỊu n y v o ng y 25 tháng năm 1999, gió mạnh tới 135 km/giờ gây nên trận bÃo cát mù mịt kéo theo loạt tai họa Trong ng y hôm ấy, ng ời bị thiệt mạng, 23 ng ời bị th ơng, nhiều đoạn đ ờng cao tốc bị ngõng trƯ ho n to n nhiỊu giê §iỊu tồi tệ số tai họa giao thông đà xảy xa lộ liên bang số 84 vùng đông bắc Oregon Ông gi 58 tuổi Harold Fell đà diễn tả lại trải nghiệm mình: Một xe tải 18 bánh đà lao qua v điều tiếp sau m đ ợc biết l dừng sững đ ờng Nó đứng sừng sững tr ớc mặt Fell v vợ ông bị th ơng nhẹ, nh ng chắn họ phải thấy đà may mắn l m đ ợc chứng kiến cảnh t ợng tai họa v nhận ng ời thiệt mạng đống vỡ vụn 16 xe khác bị dính Dù l có quan tâm đến tình h×nh giã, song Ýt ng êi chóng ta chó ý nhiỊu tíi mét th nh tè rÊt liªn quan thời tiết - l áp suất khí Thử hỏi, đà lần bạn hủy bỏ dà ngoại áp suất thấp? Hay bạn thấy ng ời có quần áo chuyên dụng cho ng y áp cao? Mặc dù đ ỵc chó ý ®Õn cc sèng h ng ng y, nh ng áp suất không khí ảnh h ởng sâu sắc tới thông số thời tiết khác có tác động cách trực tiếp nhiều Ví dụ, biến thiên theo ph ơng ngang áp suất khí l nguyên nhân trực tiếp chuyển động gió V không khí giáng xuống khu vực áp suất bề mặt cao v thăng lên vùng áp suất bề mặt thấp, nên chênh lệch áp suất tác động mạnh tới xác suất hình th nh mây v giáng thủy Ch ơng n y giới thiệu khái niệm áp suất v phân bố áp suất theo ph ơng thẳng đứng v ph ơng ngang Chúng ta xem xét quan hệ áp suất v tham số khí khác, trình gây nên biến đổi áp suất theo ph ơng ngang v thẳng đứng Trên së n y, chóng ta cã thĨ tiÕn tíi xem xét hình bÃo ch ơng sau Kh¸i niƯm vỊ ¸p st KhÝ qun chøa mét sè l ợng lớn phân tử khí bị lôi kéo phía Trái Đất http://www.ebook.edu.vn 127 lực trọng tr ờng Các phân tử n y tác động lực lên tất bề mặt m chúng tiếp xúc v phần lực n y tác động lên đơn vị diện tích bề mặt l áp suất (xem chuyên mục 4-1: Những nguyên lý vật lý: Vận tốc, gia tốc, lực v áp suất) Tất nhiên, khái niệm áp suất không liên quan tới khí t ợng học, m l sở tất khoa học vật lý Trong hầu hết ứng dụng khoa học vật lý, đơn vị chuẩn áp suất l Pascal (Pa), nh ng Mỹ, nh khí t ợng dïng milliba (mb), b»ng 100 Pa C¸c nh khÝ t ợng Canađa lại sử dụng đơn vị khác - kilôpascal (kPa), 1000 Pa, hay 10 mb Để so sánh, áp suất mực n ớc biển điển hình khoảng 1000 mb (100 kPa) xác l 1013,2 mb Hình 4.1 Chuyển động phân tử không khí (biểu diễn chấm với mũi tên) hộp chứa kín tác động áp suất lên th nh bên (a) áp suất tăng lên cách l m tăng mật độ phân tử (b) l m tăng nhiệt độ (c) Tốc độ phân tử (v nhiệt độ) đ ợc biểu diễn mức độ xám v độ d i mũi tên 128 http://www.ebook.edu.vn Để hiểu tính chất áp suất, hÃy xem hình 4.1 mô tả hộp không khí đóng kín Các phân tử khí bị giam không ngừng chuyển động qua lại v tác động ¸p st lªn th nh phÝa cđa hép (a) áp suất không khí tỷ lệ thuận với số lần va chạm phân tử khí v th nh hộp Chúng ta l m tăng áp suất hai cách Cách thứ l tăng mật độ không khí cách bơm không khí v o hộp l m giảm thể tích hộp (b) Cách thứ hai l l m tăng nhiệt độ không khí, tr ờng hợp n y, phân tử khí tác động áp suất lớn chúng chuyển động nhanh (c) Nh vậy, áp suất thể mật độ v nhiệt độ chất khí Nếu không khí hộp l hỗn hợp chất khí (nh khí quyển), chất khí gây l ợng áp suất riêng nó, gọi l áp suất riêng phần ¸p st tỉng céng t¸c ®éng b»ng tỉng cđa c¸c áp suất riêng phần Quan hệ n y đ ợc biết đến nh l định luật Dalton Trên Trái Đất, hộp chứa đ ợc bao quanh khí quyển, tạo áp suất lên th nh hộp bên ngo i Bây giờ, xem điều xảy mở nắp hộp l m lỗ thủng cạnh hộp Nếu áp suất bên ngo i hộp chứa lớn áp suất bên trong, không khí bên ngo i bị dồn v o bên áp suất (Lực để tạo cân n y l đà t¹o tiÕng rÝt b¹n më mét hép c phê đ ợc rút chân không) Mặt khác, nh áp suất bên hộp chứa lớn hơn, không khí bị dồn ngo i áp suất bên giảm để không khí xung quanh Trong hai tr ờng hợp, khoảnh khắc áp suất không khí tác động lên phía ngo i hộp chứa trở th nh áp st ë bªn ThÝ dơ n y dÉn ta đến đặc điểm khác không khí: di chuyển để tạo cân c¸c khu vùc ¸p suÊt cao v thÊp C¸i m trải nghiệm đ ợc nh l áp suất khí thực l khối l ợng không khí bên bị lôi kéo xuống phÝa d íi bëi träng lùc Nãi c¸ch kh¸c, ¸p suất điểm n o phản ánh khối l ợng khí bên điểm Khi c ng lên cao khí quyển, khối l ợng khí phía phải giảm v áp suất phải giảm Chúng ta cảm nhận đ ợc thay đổi đó, ví dụ thang máy lên nhanh, giảm áp suất dẫn đến ù tai Nhớ áp suất l biến giảm theo ph ơng thẳng đứng sè c¸c biÕn khÝ qun C¸c biÕn kh¸c (nh nhiƯt độ, độ ẩm v mật độ) không thiết phải diƠn biÕn nh vËy MỈc dï thùc tÕ l khÝ bị lôi xuống phía d ới trọng lực, áp suất tác động nh tất h ớng - lên trên, xuống d ới v sang ngang HÃy nhớ lại tr ờng hợp hộp chứa đóng kín m vừa mô tả với áp suất bên lớn bên ngo i Bất kể l hộp chứa bị khoan lỗ cạnh hộp, đáy hộp hay đỉnh hộp áp suất lớn bên l m cho không khí bị đẩy ngo i Đây l cách khác để nhận thực tế l áp suất không khí tác động nh tất h ớng HÃy giữ cho cánh tay bạn thẳng ngang Không khí đẩy lên cánh tay bạn, không đẩy xuống phía d ới, đẩy dọc theo cánh tay v http://www.ebook.edu.vn 129 ho n to n nh ®Èy tõ phía d ới lên * Nếu nh áp suất tác động xuống d ới, trọng l ợng không khí lớn chí ng ời khỏe giang cánh tay đ ợc Träng l ỵng lín n y lín nh thÕ n o? Trong điều kiện bình th ờng mực n ớc biển, lực n y 14,7 pao inch vuông l tải trọng nặng cánh tay chí ngắn Biến thiên áp suất theo ph ơng thẳng đứng v ph ơng ngang Để hiểu gió, cần đo v so sánh chênh lệch áp suất tăng vị trí khác nhau, chênh lệch tạo chuyển động ph ơng ngang không khí Nh ng công việc n y phức tạp mét thùc tÕ l cao ®é thay ®ỉi tõ nơi n y đến nơi khác (Nhớ lại cao độ lớn có áp suất thấp, đơn giản không khí bên hơn) Nếu dùng số liệu đo bề mặt để so sánh, phân tách hiệu ứng cao độ khỏi chênh lệch áp suất gây gió Để khắc phục vấn đề n y, nh khí t ợng học đà dùng khái niệm áp suất mực n ớc biển áp suất bề mặt l áp suất thực quan trắc đ ợc vị trí cụ thể, áp suất mực biển l áp suất tồn nh điểm quan trắc nằm mực n ớc biển Vì phần lớn bề mặt đất bên mực biển, nên áp suất bề mặt th ờng l thấp hai áp st VÝ dơ, h·y so s¸nh c¸c ¸p st bỊ mặt đỉnh núi cao v thung lũng bên cạnh hình 4.2 Mặc dù khí phân bố đồng vùng quan sát, áp suất bề mặt vị trí núi nhỏ cách đáng kể so với thung lũng Hình 4.2 Do áp suất khÝ qun thÝch øng víi träng l ỵng cđa khÝ nằm bên trên, nên giảm theo cao độ áp suất đỉnh núi P2 nhỏ áp suất chân núi P1 l ợng không khí nằm bên nhiều Vì phải phân biệt áp suất không khí bề mặt với áp suất mực biĨn ¸p st mùc biĨn cho phÐp chóng ta so sánh áp suất vị trí khác áp suất phía d ới cánh tay bạn lớn so với phía Đó l áp suất giảm theo độ cao v phía cánh tay bạn cao v i cm so víi phÝa d íi Tuy nhiªn, sù chªnh lƯch n y l rÊt nhá v cã thÓ bá qua vÝ dô n y * 130 http://www.ebook.edu.vn nhau, tÝnh đến khác biệt cao độ Đối với vị trí không cao bên mực n ớc biển, có đ ợc thị tèt vỊ ¸p st mùc n íc biĨn b»ng c¸ch giả định thay đổi áp suất theo cao độ Ví dụ, cao độ 150 m, ta cộng thêm 14 mb v o áp suất bề mặt để nhận đ ợc áp suất mực n ớc biển (khoảng mb tăng lên cho 10 m) Tuy nhiên, nơi với cao độ lớn, ph ơng pháp n y không tin cậy, phải tính đến nén khí Hình 4.3 Với 5,5 km độ cao áp suất giảm khoảng nửa Nh đà thấy hình 4.3, áp suất không giảm theo độ cao với tốc độ Ng ợc lại, giảm nhanh nơi cao độ thấp v từ từ triệt tiêu ®é cao lín VÝ dơ, tõ mùc biĨn ®Õn cao độ km áp suất trung bình giảm khoảng 100 mb, nh ng v 10 km áp suất giảm với tốc độ nửa Sự phi tuyến tồn l do, nh ta đà biết, không khí bị nén Do khối l ợng khí đ ợc nén đậm đặc mực thấp, nên thay đổi cao độ không lớn mực thấp l m cho bạn phải qua l ợng khí lớn, dẫn tới mức giảm áp suất lớn Mặc dù chênh lệch áp suất theo ph ơng ngang l đủ để tạo gió mạnh, nh ng nh ng chênh lệch nhỏ so với chênh lệch theo ph ơng thẳng đứng Ví dụ, áp suất mực biển l 1050 mb đ ỵc xem l rÊt cao, song nã chØ lín h¬n trung bình to n cầu mb Hơn nữa, chênh lệch áp suất mực biển cao v thấp nhÊt ë B¾c Mü mét ng y n o đạt tới khoảng 25 mb V chí chênh lệch áp suất phần trăm nhỏ bé n y th ờng đ ợc ghi nhận http://www.ebook.edu.vn 131 khoảng cách nhiều trăm km Ng ợc lại, ta cần chèo lên đỉnh đồi khiêm tốn tòa nh cao thấy đ ợc thay đổi áp suất t ơng đ ơng nh 4-1: Những nguyên lý vật lý: VËn tèc, gia tèc, lùc v ¸p suÊt Trong héi thoại th ờng ng y hay nghe chuyên từ lực v áp suất đ ợc sử dụng thay thÕ cho nhau, còng gièng nh vËn tèc v tốc độ th ờng đ ợc xem nh đồng nghĩa Tuy nhiên, ngôn ngữ khoa học, việc lẫn lộn gi÷a nh÷ng tht ng÷ n y cã thĨ dÉn tíi nhầm lẫn lớn Chúng ta xem chúng khác nh n o Vận tốc v gia tốc Mỗi vËt n o ®ã chun ®éng cã tèc ®é thể, đ ợc định nghĩa l khoảng cách đ ợc đơn vị thời gian Tốc độ liên quan đến vận tốc, nh ng không l nh vËn tèc VËn tèc g¾n liỊn víi h íng chun ®éng cịng nh tèc ®é VÝ dơ, h·y xÐt hai xe ô tô chạy với 20 m giây, nh ng di chun theo hai h íng ng ỵc Mặc dù chúng có tốc độ, nh ng vận tốc chúng không h ớng chuyển động khác Sự phân biệt n y quan trọng để hiểu đ ợc đại l ỵng tiÕp theo cđa chóng ta - gia tèc, sù thay đổi vận tốc (không phải tốc độ) theo thời gian Do vận tốc gồm tốc độ v h ớng, thay đổi h ớng tốc ®é l gia tèc VÝ dơ, xÐt mét xe « tô thời điểm chạy với tốc độ 20 m/s, giây sau ô tô có tốc độ 19 m/s; sau giây tốc độ l 18 m/s v tiếp tục nh Khi giây qua đi, tốc độ xe giảm m/s (l u ý gia tốc có giá trị d ơng âm nh thí dụ n y) Gia tèc cịng cã thĨ x¶y nh cã 132 thay đổi h ớng theo thời gian, ®èi víi mét vËt cã tèc ®é kh«ng thay ®ỉi Một xe ô tô chạy với tốc độ không đổi nh ng tõ tõ quay h íng l ®ang cã mét gia tèc, cịng gièng nh mét xe « t« với tốc độ thay đổi Trong khí t ợng học có gia tốc đặc biệt quan trọng - gia tèc träng tr êng ( g ) Gia tèc n y 9,8 m/s/s, gần nh không đổi to n Trái Đất g giảm chút từ xích đạo đến cực v g khác biệt từ bề mặt đến lớp khí Tuy nhiên, đa số ứng dụng, biến thiên g nhỏ, bỏ qua Lực v áp suất Một nguyªn lý quan träng nhÊt cđa khoa häc vËt lý l định luật thứ hai Newton, liên hệ kh¸i niƯm lùc (ký hiƯu l F ) víi khèi l ỵng ( m ) v gia tèc ( a ) Cụ thể, định luật thứ hai Newton nói r»ng gia tèc cđa mét vËt thĨ tû lƯ thn với lực tác động lên v tỷ lệ nghịch với khối l ợng Bằng ký hiệu, điều n y đ ợc biểu diễn nh sau a= F m F = ma HÃy hình dung xe tải 18 bánh xe chất h ng nặng dừng lại theo đèn hiệu đỏ sau xe đạp Khi đèn hiệu chuyển sang m u xanh, hai bắt đầu tăng tốc với c ờng suất Dễ thấy rằng, nh hai trì vị trí liền nhau, xe tải nặng nề nhiều đòi hỏi lực lớn (v động mạnh h¬n) T ¬ng tù nh vËy, nÕu hai vËt thĨ với khối l ợng chịu lực khác nhau, vật n o chịu lực lớn có gia tốc lớn http://www.ebook.edu.vn Hình Lực h ớng xng phÝa d íi cđa khÝ qun b»ng khèi l ỵng to n bé khÝ qun nh©n víi gia tèc trọng tr ờng Vì khối l ợng v gia tốc trọng tr ờng không đổi theo thời gian, nên lực n y khí không đổi áp suất đ ợc xác định lực tác động lên đơn vị diện tích Do đó, diện tích đ ợc đánh dấu hình chịu áp suất định áp suất biến đổi khối l ợng không khí bên biến đổi theo vị trí v theo thời gian L u ý lực F ph ơng trình l lực tác động lên vật Nếu lực khác tác động đồng thời, tất lực đ ợc xem nh định gia tốc; ta phải đánh giá độ lớn v h ớng lực Nh thấy với tr ờng hợp giọt n ớc m a rơi (ch ơng 7), lực tác động theo h ớng ng ợc l m giảm lực v gia tốc kết quả, dẫn tới giá trị không t ởng t ợng triệu thùng xe tải v thùng chứa tỷ voi) Nếu nhân khối l ợng khÝ qun víi gia tèc träng tr êng, ta x¸c định đ ợc lực tác động lên khí khoảng Chúng ta áp dụng định luật thứ hai Newton cho khÝ qun KhÝ qun chia lùc 5,0 × 10 19 N cho diện tích bề mặt Trái Đất, cho ta lực trung bình diện tích đơn vị, hay áp suất bề mặt trung bình khoảng 10,132 N/cm2 chøa 5,14 × 10 18 kg khèi l ợng (Để hình dung 5,14 ì 10 18 kg nặng nh thÕ n o, ta sÏ 5,0 × 10 19 N (1 newton (N) l đơn vị đo lực cần để tăng tốc cho kg vật m/s giây) Lực đem chia cho diện tích m tác động lên áp suất Vậy http://www.ebook.edu.vn 133 Giá trị n y t ơng đ ơng 1013,2 mb, hay gần 14,7 pao/ inch2 Khi đà phân biệt lực v áp suất, ta đặt câu hỏi khác biệt thể khí nh n o Đáp án l : tổng lực khí gần nh không đổi, chất khí không phân bố đồng h nh tinh áp suất cao tồn nơi cột khí chứa nhiều phân tử hơn, áp suất thấp đ ợc thấy nơi chứa Còn vấn đề chênh lệch áp suất diễn nh n o đ ợc xét sau ch ơng n y; lúc n y, điểm quan trọng l áp suất bề mặt phản ánh khối l ợng khí bên cột khí nh hình đà cho thấy Ph ơng trình trạng thái Kinh nghiệm h ng ng y cho biÕt r»ng c¸c chÊt khÝ cã xu thÕ në bị l m nóng v trở nên đậm đặc bị l m lạnh Điều n y mách bảo nhiệt độ, mật độ v áp suất liên hệ với Thực tế mối quan hệ chúng đơn giản Nó đ ợc mô tả ph ơng trình trạng thái (còn gọi l định luật chÊt khÝ lý t ëng) p = ρ RT , p l áp suất biểu diễn Pascal, ρ l mËt ®é b»ng kg/m3, R l h»ng sè b»ng 287 J/(kg.K) v T l nhiƯt ®é (K) Ph ơng trình n y đ ợc diễn đạt nh sau: mật độ không khí tăng nhiệt độ không đổi, áp suất tăng T ơng tự, mật độ không đổi, tăng nhiệt độ dẫn đến tăng áp suất Vấn đề n y dẫn đến nhầm lẫn phổ biến Trong công chúng (v số sinh viên) th ờng có thói quen tìm kiếm mối liên hệ giản đơn nhiệt độ v ¸p st Chóng ta cã thĨ nghe nãi “¸p st giảm, trời trở rét, l trời nóng chắn áp suất cao Nh ng ph ơng trình trạng thái nói phát biểu mơ hồ nh không Một biến thứ ba, mật độ, đảo lộn thay đổi hai biến Ví dụ, đồng Bắc Mü, ¸p suÊt cao tiÕp sau mét trËn b·o mïa đông th ờng mang theo nhiệt độ lạnh cóng, ấm áp dễ chịu Mặc dù l trái ng ợc linh nghiệm số ng êi, song hiƯn t ỵng nh vËy l ho n to n phù hợp ph ơng trình trạng thái Đo áp suất Dụng cụ đo áp suất đ ợc gọi l áp kế Hai loại áp kế đ ợc sử dụng phổ biến quan trắc thông th êng: mét lo¹i cÊu t¹o tõ mét èng tuýp cã chứa phần thủy ngân v loại thứ hai sử dụng hộp khoang xếp áp kế thủy ngân Dụng cụ tiêu chuẩn để đo áp suất l áp kế thủy ngân (hình 4.4), sáng chế Evangelista Torricelli năm 1643 Đó l dụng cụ đơn giản chế tạo cách cho thủy ngân v o ống tuýp d i v sau đảo ng ợc đầu tuýp để thủy ngân chảy v o bầu chứa Mặc dù ống tuýp đ ợc đảo đầu, không rỗng Ng ợc lại, không khí tuồn xuống phía d ới đến bầu chứa thủy ngân v l m cho phần thủy ngân lên phía v o ống tuýp áp suất không khí c ng lớn, cột 134 http://www.ebook.edu.vn thủy ngân c ng cao áp suất áp kế th ờng đ ợc biểu diễn độ cao cột thủy ngân áp kế, mực biển độ cao trung bình l 76 cm (29,92 inch) Tuy nhiên, phép đo n y không phù hợp với khái niệm áp suất, áp suất đơn vị ®é d i Nãi c¸ch kh¸c, biĨu diƠn ¸p st áp kế cm inch ngớ ngẩn nh nói tuổi 30 dặm/giờ hay cân nặng l 1,99 đô la! Các số đo độ d i từ áp kế l phản ứng áp kế áp suất khí quyển, giá trị quan trắc áp suất trực tiếp Các nh khí t ợng học a dùng đơn vị cho đo đ ợc lực tác động diện tích đơn vị, nh pao/inch2 milliba Các công thức đơn giản để chuyển đổi độ cao áp kÕ sang milliba l : cm = 13,32 mb v inch = 33,865 mb Hình 4.4 áp kế thủy ngân Thủy ngân l chất lỏng chuẩn để dùng áp kế nặng, với mật độ 13,6 lần lớn mật độ n ớc Đặc ®iĨm n y cho phÐp ®iỊu chØnh ® ỵc kÝch th íc cđa dơng NÕu sư dơng n íc thay thủy ngân, cột n ớc phải cao chừng 10 m để cân với trọng l ợng khí Mặt khác, ¸p kÕ chøa n íc cao b»ng tßa nh tầng l không gọn nhẹ, song có khả đo xác, biến đổi nhỏ áp suất đ ợc chuyển đổi th nh biến đổi lớn độ cao Hiệu chỉnh số đo áp kế thủy ngân Một công cụ quan trọng nh khí t ợng học l đồ thời tiết, ngo i số thứ khác, đồ n y biểu diễn phân bố áp suất bề mặt Tuy nhiên, tr ớc số liệu áp kế đ ợc dùng đồ, phải thực ba hiệu chỉnh để loại trừ nhân tố địa ph ơng ảnh h ởng tới số đo Hiệu chỉnh thứ loại trừ ảnh h ởng cao độ mô tả tr ớc ch ơng n y Nếu nh giá trị áp suất bề mặt đ ợc vẽ đồ thời tiết, chúng cho biểu diễn sai phân bố khí Nguyên l cao độ cao có áp suất bề mặt thấp so với cao độ thấp, áp suất mực biển l nh Để quy chuẩn số liệu quan trắc, phải chuyển đổi số đo áp suất bề mặt giá trị mực n ớc biển Đối với trạm quan trắc nằm độ cao 100 m mực biển, phải cộng thêm khoảng cm, t ơng ứng với khoảng 13 mb Tại cao độ lớn hơn, cần phải có hiệu chỉnh lớn Chẳng hạn, Denver, Colorado (gọi l Th nh phố cao dặm), số hiệu chỉnh khoảng 16 cm hay 213 mb HiƯu chØnh thø hai liªn quan tíi giống áp kế thủy ngân v nhiệt kế Vì thủy ngân nhiệt kế giÃn nở nhiệt độ tăng, thủy ngân áp kế http://www.ebook.edu.vn 135 cịng nh vËy Sù gi·n në l m gi¶m mËt độ chất lỏng v đòi hỏi đạt tới độ cao lớn để bù lại trọng l ỵng khÝ qun Nãi c¸ch kh¸c, v o ng y nóng độ cao cột thủy ngân cao ng y lạnh, áp suất khí nh Vì lý n y, nên áp kế thủy ngân có nhiệt kế gắn kèm theo để xác định nhiệt độ dụng cụ, bảng hiƯu chØnh cho chóng ta biÕt ®é cao cđa cét thủy ngân phải nh nhiệt độ giá trị chuẩn oC (32 oF) Tại nhiệt ®é chn phßng, hiƯu chØnh n y nhá, chØ cần trừ bớt khoảng 2,5 mm Hiệu chỉnh thứ ba tính đến gia tốc trọng tr ờng biến thiên nhẹ theo vĩ độ Để chuẩn hóa số đo từ tất vĩ độ, quy đổi chúng giá trị m chúng phải có nh trọng lực địa ph ơng trọng lực 45o vĩ nam bắc, hay trung bình xích đạo v cực Tuy nhiên, biến thiên trọng lực theo vĩ độ l nhỏ v hiệu chỉnh th ờng có cỡ 0,25 mm 4-2: Những nguyên lý vật lý: Các biến thiên mật độ Có lẽ bạn phân vân không khí nặng Không khí xung quanh bạn có mật độ riêng v thể tích không khí chứa khối l ợng định Những biến thiên mật độ không khí gây nên nhiều t ợng h ng ng y Ví dụ, mật độ khí ảnh h ởng tới máy bay phải chạy lấy đ bao xa tăng tốc đ ờng băng để chuẩn bị cất cánh T ơng tự, máy phun nhiên liệu ô tô phải tính đến biến thiên mật độ để cung cấp hỗn hợp xăng v không khí phù hợp v o động xe Mật độ không khí chí ảnh h ởng tới l ợng cản không khí lên trái bóng ch y, đó, tới khoảng cách bay trái bóng Nh ng biến thiên mật độ có thực đáng kể hay không? Chúng ta dùng ph ơng trình trạng thái để thấy cách xác biến thiên nhiệt độ ảnh h ởng tới mật độ không khÝ nh thÕ n o Muèn vËy, tr íc hÕt ta xếp lại ph ơng trình nh sau: = p / RT Bây so sánh mật độ không khí hai tr ờng hợp: ng y Êm víi nhiƯt ®é 308 K (35 oC hay 95 oF) v mét ng y l¹nh víi nhiƯt ®é 278 K (5 oC hay 41 oF) §Ĩ cho 136 quán, ta giả định áp suất l 100 000 Pa (1000 mb; 100 kPa) c¶ hai tình áp dụng ph ơng trình trạng thái cho ng y ấm, ta tìm đ ợc mật độ kh«ng khÝ b»ng ρ = 100000 Pa −1 287 J kg K −1 × 308 K = 1,13 kg/m * Khi ta hạ nhiệt độ không khí xuống đến 278 K (5 oC hay 41 oF), ph ơng trình cho mật độ không khí = 100000 Pa −1 287 J kg K −1 × 278 K = 1,25 kg/m Mật độ n y gần 11% lớn mật độ không khí ng y ấm l ợng đáng kể Ngo i nhiệt độ v áp suất, độ ẩm không khí có ảnh h ởng (dù nhỏ) tới mật độ Ta xem nh n o Phân tử ôxy (O2) v Nitơ (N2) l m th nh phần lớn khối l ợng khí v tồn tỷ phần không đổi Các hợp phần khác, khí có mặt với l ợng khác vị trí v thời gian khác nhau, v hợp phần có phân tử l ợng riêng (thể khối l ợng t ơng đối phân tử), h m l ợng t ơng đối chúng ảnh h ëng nhĐ tíi mËt ®é cđa khÝ qun Trong sè chất khí đó, n ớc th ờng chiếm khoảng % khối http://www.ebook.edu.vn Ph ơng trình chuyển động l biểu thức bảo to n động l ợng Giống nh biết biến đổi nhiệt độ không tự d ng m có, biÕt r»ng gia tèc kh«ng thĨ bÊt ngê xt hiƯn, m sinh từ tổ hợp lực Rất nhiều số hạng riêng rẽ ph ơng trình chuyển động gần nh loại trừ lẫn nhau, gia tốc không khí th ờng nhỏ nhiều so với gia tốc riêng rẽ Đây l ngẫu nhiên Ng ợc lại, gia tốc n y tác động với theo cách tinh tế l m hạn chế nhiều đến gia tốc ròng Lấy ví dụ đơn giản, thứ khác nh nhau, ma sát tăng lên theo tốc độ gió tăng Nếu không nh vậy, gió phải mạnh nhiều Chúng ta phải nhận xét hai nét quan trọng ph ơng trình chuyển động Thứ nhất, l u ý ph ơng trình cho ta gia tốc không khí vận tốc Các gia tốc tổng cộng lại không, nh ng điều nghĩa l gió Nó có nghĩa l gió không thay đổi vận tốc h ớng Thứ hai, tất gia tốc ph ơng trình l gia tốc theo ph ơng ngang; đó, ph ơng trình cung cấp thông tin chuyển động ngang, chuyển động thẳng đứng Dĩ nhiên, chuyển động thẳng đứng tuân theo ®Þnh lt thø hai cđa Newton, nh ng chóng ta ch a xét chúng ph ơng trình chuyển động n y Ph ơng trình chuyển động xem nh l dạng nguyên lý cân bằng, l ph ơng trình gọi l hay “nguyªn thđy” cđa khÝ qun Nã l cèt lâi ch ơng trình máy tính lớn dùng dự báo thời tiết v mô hình ho n l u chung để nghiên cứu biến đổi khí hậu quy mô to n cầu Trong t i liệu nhập môn nh sách n y, dùng để nêu khái niệm, khích lệ sinh viên tìm tòi lực gây nên biến đổi gió Ma sát Nhân tố khác ảnh h ởng tới chuyển động không khí l ma sát Không khí tiếp xúc với bề mặt chịu sức cản ma sát, l m giảm tốc độ gió Không khí sát bên trên, tiếp xúc với lớp gần bề mặt chuyển động chậm, chịu sức cản ma sát, nh ng tõ phÝa kh«ng khÝ n»m d íi, chø kh«ng phải từ phía bề mặt Khi lớp không khí n y bị giảm tốc độ, không khí cao bị tác động t ơng tự Nh vậy, hiệu ứng ma sát bắt nguồn từ bề mỈt, nh ng biĨu hiƯn to n líp khÝ tầng thấp Nói chung, ma sát quan trọng ph¹m vi líp 1,5 km phÝa d íi cđa khÝ qun - th êng gäi l líp biªn h nh tinh, hay đơn giản l lớp biên Ma sát l m chậm tốc độ gió ứng với građien áp suất đà cho, l m giảm lực Coriolis Ng ợc lại, không khí khí tự bên khoảng 1,5 km bị ma sát không đáng kể Trong điều kiện ma sát, gió lớp khí tầng cao đơn giản nhiều Do đó, bắt đầu b n luận việc mô tả hình gió lớp khí cao Gió khí cao Hình 4.11 minh họa kiểu hình áp suất đơn giản cã thĨ tån t¹i khÝ qun tù Trong tr ờng hợp n y, đ ờng đồng mức ®é cao th¼ng v song song víi nhau, lùc gra®ien áp suất h ớng lên phía bắc Giả thiết cầu 148 http://www.ebook.edu.vn thám không với mật độ không khí xung quanh bị neo giữ v o cột khí tự Mặc dù cầu bị giữ chỗ, nh ng nhạy cảm với lực građien áp suất tác động lên Hình 4.11 Lực građien áp suất h ớng từ nam lên bắc phân bố giả định độ cao cđa mùc 500 mb Trong mét h nh tinh kh«ng xoay, điều n y l m cho không khí di chuyển từ nam lên bắc Hình 4.12 Gió địa chuyển Giả sử có phần tử không khí dừng khí cao chịu tác động lực građien áp suất h ớng từ nam lên bắc (a) Nếu phần tử bị r ng buộc v o cọc t ởng t ợng, chuyển động phần tử xảy Khi dây buộc t ởng t ợng bị cắt, građien áp suất ngang di chuyển phần từ phía bắc (b) Lúc đầu, tốc độ gió yếu (biểu diễn mũi tên ngắn), lực Coriolis nhỏ Khi phần tử tăng tốc độ (mũi tên d i hơn), độ lớn lực Coriolis tăng lên v gây nên di chuyển xa bên phải (c) Dần dần, tốc độ gió l m tăng lực Coriolis đủ để l m cho không khí trôi vuông góc với lực građien áp suất http://www.ebook.edu.vn 149 Hình 4.12 cho thấy điều diễn dây giữ bị đứt Lúc đầu, cầu ch a chuyển động, v đó, gia tốc Coriolis Nh ng sau dây bị cắt (a), lực građien áp suất đẩy nhẹ cầu h ớng vùng áp suất thấp Vì lực građien áp suất l m cho cầu chuyển động nhanh hơn, kéo theo lực Coriolis tăng v cầu tăng tốc nhanh, xa phía bên phải (tại Bắc bán cầu) (b) v (c) Ci cïng, kh«ng khÝ tr«i song song víi đ ờng đồng mức độ cao (d) Tại điểm n y, lực Coriolis v lực građien áp suất cân với nhau, lực ròng tác động lên không khí Từ sau, cầu di chuyển song song với đ ờng đồng mức độ cao, tr ờng hợp n y l đ ờng thẳng, với tốc độ không đổi Nói khác đi, dòng không khí trở th nh không gia tốc, với tốc độ v h ớng không thay đổi Dòng không gia tốc nh đ ợc gọi l dòng địa chuyển (hay gió địa chuyển), v xảy lực građien áp suất lực Coriolis Dòng địa chuyển xuất lớp khí cao, nơi ma sát v có lực građien áp suất v lực Coriolis tác động Bạn phân vân dòng không khí hình 4.12d không quay ng ợc trở lại khu vực áp suất cao Câu trả lời đơn giản l nh chuyển động h ớng n y, phải trôi ng ợc với lực građien áp suất Điều l m chậm dòng không khí, l m giảm lực Coriolis v đó, l m cho dòng quay trở phía thân Cũng nh vậy, dòng không khí quay h ớng phía bắc, không khí nhận lực đẩy từ lực građien áp suất Điều dẫn đến gia tốc Coriolis lớn hơn, l m cho không khí quay phía nam Chúng ta thấy dòng địa chuyển l ổn định, nghĩa l đ ợc hình th nh, không dễ phá vỡ (Để xét cách chi tiết trình n y, h·y xem b i h íng dÉn C¸c lùc v chuyển động khí đĩa CD-ROM sách n y) Dòng siêu địa chuyển v tựa địa chuyển Tình đ ợc diễn tả hình 4.11 l tr ờng hợp đơn giản, lực građien áp suất đồng nhất, đ ờng đồng mức thẳng v song song to n vùng Những tình nh xảy tự nhiên, nh ng l ngoại lệ l thông lệ Một tr ờng hợp phân bố áp suất phổ biến l kiểu đ ợc biểu diễn hình 4.13, đ ờng đồng mức độ cao cong v khoảng cách đ ờng thay đổi Trong điều kiện lực ma sát, không khí trôi song song với đ ờng đồng mức nguyên nhân nh dòng địa chuyển Nh ng kiểu dòng n y không thực l địa chuyển, liên tục thay đổi h ớng v đó, có gia tốc Để không khí trôi theo đ ờng đồng mức, phải có liên kết liên tục lực građien áp suất v Coriolis Các nh khí t ợng học gọi chuyển động n y l dòng građien (hay gió građien) Giống nh dòng địa chuyển, dòng građien phát triển vắng mặt lực ma sát, v gió thổi vuông góc với građien áp suất Trên thực tế, dòng địa chuyển l tr ờng hợp đặc biệt dòng građien, xuất tr ờng hợp đ ờng ®ång møc ®é cao th¼ng v song song 150 http://www.ebook.edu.vn Hình 4.13 Gió građien Dòng građien xuất lớp khí cao, nơi dòng không bị ma sát từ bề mặt tác động L u ý dòng địa chuyển l tr ờng hợp đặc biệt dòng građien gia tốc Hình 4.14 Dòng siêu địa chuyển (a) xảy lớp khí cao xung quanh hệ thống áp cao Khi không khí trôi, liên tục quay phải Chuyển động quay ®ã xt hiƯn bëi v× lùc Coriolis cã ®é lín lớn lực građien áp suất (độ d i mũi tên gạch nối) HÃy theo dõi h ớng thay đổi bốn mũi tên đậm nét đến Dòng tựa địa chuyển (b) xảy lớp khÝ qun cao xung quanh c¸c hƯ thèng ¸p thÊp Lực građien áp suất lớn lực Coriolis v không khí quay phía bên trái Bắc bán cầu http://www.ebook.edu.vn 151 Hình 4.14a biểu diễn dòng građien không khí xung quanh vùng áp suất cao hình tròn lớp khí cao Bắc bán cầu Lực građien áp suất (PGF) có h ớng từ tâm ¸p cao phÝa ngo i, cßn lùc Coriolis h ớng v o phía đ ợc biểu diễn mũi tên t ơng ứng đây, không khí không trôi theo đ ờng thẳng; m quay sang bên phải v song song với građien áp suất Để quay h ớng sang phải, lực Coriolis phải lớn lực građien áp suất Tuy nhiên, để có đ ợc điều đó, tốc độ gió phải lớn so với tốc độ gió điều kiện địa chuyển Với lực građien áp suất xét, gió thổi mạnh xung quanh vùng áp suất cao so với tr ờng hợp đ ờng đồng mức độ cao thẳng, phải có lực Coriolis lớn để giữ cho dòng quay h ớng sang phải Tình n y có lực Coriolis lớn lực građien áp suất v l m cho không khí quay h ớng, đ ợc gọi l dòng siêu địa chuyển Tr ờng hợp ng ợc lại đ ợc diễn tả hình 4.14b, không khí xoay ng ợc chiều kim đồng hồ xung quanh vùng áp suất thấp Lực građien áp suất h ớng dòng v o phía áp suất thấp, lực Coriolis đổi h ớng không khí sang phải Lại lần nữa, dòng không khí song song với ® êng ®ång møc ®é cao, nh ng c¸c lùc n y không cân với nh vậy, không khí đà di chuyển theo đ ờng thẳng Nếu không khí quay ng ợc chiều kim đồng hồ, lực Coriolis phải yếu lực građien áp suất Muốn cho lực Coriolis yếu hơn, dòng gió phải thổi chậm so với tr ờng hợp địa chuyển Dòng nh đ ợc gọi l dòng tựa địa chuyển Hình 4.15 Dòng địa chuyển tồn gần bề mặt Ma sát l m suy yếu gió, nên lực Coriolis nhỏ lực građien áp suất Do đó, không khí trôi theo góc xiên sang bên phải lực građien áp suất Bắc bán cầu (a) v sang bên trái Nam bán cầu (b) Gió gần bề mặt Ma sát l m cho gió gần bề mặt yếu so với gió khí trung bình v cao, với građien áp suất t ơng đ ơng Tốc độ gió chậm l m suy giảm lực Coriolis v l m cho dòng không l dòng građien hay dòng địa chuyển Vì vậy, gió lớp biên không thổi song song với đ ờng đẳng áp; m cắt qua đ ờng đẳng áp với góc thổi từ nơi áp cao đến nơi áp thÊp Nh vÉn th êng x¶y ra, cã sù quay h ớng sang bên phải Bắc bán cầu v sang bên trái Nam bán cầu (hình 4.15) Góc dòng không khí so với građien áp suất không 152 http://www.ebook.edu.vn phải l số, m lớn vĩ độ cao (do lực Coriolis mạnh hơn) v bên bề mặt trơn phẳng, nơi lực ma sát nhỏ (nh đại d ơng v hồ lớn) Xoáy thuận, xoáy nghịch, rÃnh áp thấp v sèng ¸p cao Kinh nghiƯm cho biÕt r»ng ¸p st mực biển Trái Đất không phân bố cách ngẫu nhiên th nh áp cao v áp thấp vô tổ chức, tản mạn Ng ợc lại, th ờng hình th nh số vùng ¸p suÊt cao v ¸p suÊt thÊp VÝ dô, ng y n o Bắc Mỹ có trung tâm áp suất rộng lớn mét thêi gian C¸c vïng ¸p cao khÐp kÝn có đ ờng đẳng áp đ ờng đồng mức độ cao t ơng đối tròn đ ợc gọi l xoáy nghịch Gió xoay theo chiều kim đồng hồ quanh xoáy nghịch Bắc bán cầu, lực Coriolis l m lệch dòng không khí sang bên phải v lực građien áp suất h ớng phía ngo i (hình 4.16) Trong lớp biên, không khí xoay l ợn phía ngo i xoáy nghịch (a), lớp khí cao không khí trôi song song với đ ờng đồng mức độ cao (b) Nam bán cầu, dòng ng ợc chiều kim đồng hồ (c) v (d) Hình 4.16 Không khí xoắn theo chiều kim đồng hồ h ớng khỏi xoáy nghịch Bắc bán cầu (a) v xoay theo chiều kim đồng hồ xung quanh tâm ¸p cao líp khÝ qun trªn cao (b) C¸c dòng ng ợc lại Nam bán cầu (c) v (d) Các hệ thống áp thấp khép kín đ ợc gọi l xoáy thuận Nh đà diễn tả hình 4.17, không khí bề mặt xoay ng ợc chiều kim đồng hồ h ớng v o phía xoáy thuận Bắc bán cầu v theo chiều kim đồng hồ Nam bán cầu Bây hÃy xem xét kỹ hình 4.17a Có thể thấy hình nh không khí quay h ớng sang bên trái di chuyển phía áp suất thấp, nh ng nh Hình 4.18 http://www.ebook.edu.vn 153 giải thích nghịch lý biểu kiến n y Không khí vị trí có lực građien áp suất l m cho h ớng lên phía bắc tới tâm áp thấp, nh ng lực Coriolis l m lệch dòng không khí sang bên phải th nh thử kết thúc vị trí Tại vị trí 2, lực građien áp suất h ớng không khí (bây thẳng sang phía tây, thay phải l phía bắc) phía tâm xoáy thuận, v lần lực Coriolis l m nã lƯch sang ph¶i Sù chun h íng građien áp suất l m cho quỹ đạo nh lệch h ớng sang trái Nh ng thời điểm, đ ợc tăng tốc sang bên phải Hình 4.17 Không khí xoắn ng ợc chiều kim ®ång hå h íng v o phÝa c¸c xo¸y thn bề mặt Bắc bán cầu (a) v xoay ng ợc chiều kim đồng hồ quanh áp thấp mực cao (b) Các dòng ng ợc lại Nam bán cầu (c) v (d) Chuyên từ xoáy thuận gây nhầm lẫn ng ời ta liên t ởng với bÃo nhiệt đới lớn gần Nam Thực ra, hệ thống áp thấp khép kín (ngay hệ thống không gây lớn ngo i gió nhẹ v chút mây) l xoáy thuận Mặc dù bÃo lớn nhiệt đới có tên gọi, sư dơng chuyªn tõ n y theo ý nghÜa xt sinh cđa nã Chóng ta sÏ b n ®Õn kiểu xoáy thuận cụ thể ch ơng 12 Ngo i tr ờng gió ngang đặc tr ng mình, xoáy thuận v xoáy nghịch 154 http://www.ebook.edu.vn có chuyển động thẳng đứng đặc thù liên quan với chúng Không khí di chuyển tới hệ thống áp suất thấp bề mặt thoát đâu đ ợc ngo i việc thăng lên đạt tới tâm áp thấp Những chuyển động thăng n y, nh thấy ch ơng sau, tạo điều kiện phát triển thời tiết mây giống bÃo Ng ợc lại, không khí xoáy nghịch di chuyển khỏi tâm đ ợc thay không khí giáng Do đó, xoáy nghịch điển hình có bầu trời quang mây v thời tiết đẹp Theo quy luật chung, xoáy nghịch rộng lớn xoáy thuận v có građien áp suất ngang nhỏ v tr ờng gió yếu Hình 4.18 Dòng không khí ng ợc chiều kim đồng hồ h ớng v o xoáy thuận bề mặt Bắc bán cầu quay h ớng sang tr¸i nh ng nã vÉn lƯch h íng sang phải lực Coriolis Nếu lực Coriolis, cắt ngang đ ờng đẳng áp với góc sang phải; ng ợc lại, lệch sang phải nơi Nhiều hệ thống áp thấp v áp cao xuất nh nhân khép kín, m th nh khu vực rộng lớn đ ợc gäi l c¸c r·nh (¸p thÊp) v c¸c sèng (¸p cao) Các ví dụ đ ợc biểu diễn hình 4.19 áp suất có xu phân bố giống nh xoáy thuận v xoáy nghịch bề mặt v trở th nh sống v rÃnh khí cao Hình n y đ ợc mô tả hình 4.20, dẫn đồ thời tiết bề mặt thời gian mực 300, 500, 700 v 850 mb Hình 4.19 Những đới áp cao v áp thấp dÃn d i đ ợc gọi l sống (a) v r·nh (b) http://www.ebook.edu.vn 155 (a) (b) (c) (d) Hình 4.20 Các đồ mực 300, 500, 700 v 850 mb cña cïng mét ng y v thêi gian HÃy quan sát hình xoáy thuận v xoáy nghịch mực 850 mb chuyển th nh c¸c r·nh ¸p thÊp v sèng ¸p cao nh thÕ n o 156 http://www.ebook.edu.vn 4-4 Chuyên đề: Gió lớn v Little Rock, Arkansas, thiªn tai khÝ qun Ng nh h ng không Canađa v Mỹ đạt kỷ lục an to n nỉi tréi víi th nh tÝch l m cho không l u hai quốc gia trở th nh hình thức lại an to n Trong năm 1998, vụ tai nạn bay dân n o xảy phạm vi n ớc Mỹ Không có nh vậy, máy bay chu du h ng triệu dặm v trải qua nhiều chuyến bay với thời khắc nghiệt ngà Tuy nhiên, ®iỊu n y kh«ng cã nghÜa l cã thĨ bÊt chấp thời tiết xấu, đặc biệt trình cất cánh tiếp đất Điều n y thấy rõ với tr ờng hợp xảy lúc 11h50 chiều ng y 2-6-1999 ë Little Rock, Arkansas BÊt chÊp mét thùc tÕ l giông mạnh tới v gió lớn ®· ® ỵc ghi nhËn, chun bay sè 1420 cđa H·ng h ng kh«ng Hoa Kú American Airlines tõ Dallas/Ft.Worth đà chuẩn bị hạ cánh với 145 h nh khách khoang Khi tiếp đất, máy bay đột ngột xoay ng ợc, tr ợt khỏi đ ờng băng khoảng dặm v lao v o tháp hoa tiêu TiÕp theo, m¸y bay vơn v bèc ch¸y Tỉn thất sinh mạng đáng tiếc, nh ng thấp đến ngạc nhiên, 10 ng ời thiệt mạng Hơn 80 ng ời khác bị th ơng v ®iỊu kú diƯu l 51 ng êi thËm chÝ không cần trợ giúp y tế Các điều tra viên lËp tøc tËp trung chó ý v o giã lín nh nguyên nhân tiềm vụ nạn Little Rock lúc tình trạng đ ợc cảnh báo giông mạnh vừa phát báo 34 phút tr ớc tai nạn xảy ra, theo nguy thời tiết xấu chủ yếu vùng cảnh báo l gió mạnh v gió giật Chỉ phút tr ớc tai nạn, trạm thám sát thời tiết tự động đặt cạnh đ ờng băng đà ghi nhận đ ỵc giã giËt 140 km/giê Trong ®iỊu kiƯn nh vËy, m u tính hạ cánh thực l đáng ngờ Không có điều xảy v o ng y tháng tr ớc cã thĨ l m lung lay niỊm tin cđa chóng ta v o hƯ thèng giao th«ng h ng kh«ng rÊt an to n cđa m×nh ThÕ nh ng, ho n to n coi th êng lêi khuyÕn c¸o r»ng đừng b ng quan nghi ngê vỊ sù hiƯn diƯn cđa thêi tiÕt kh¾c nghiƯt l khờ dại Đo gió H ớng v tốc độ gió đ ợc quan trắc tất trạm thời tiết H ớng gió luôn đ ợc xem l h ớng từ đâu gió thổi tới, gió tây có nghĩa l gió từ phía tây Nó th ờng đ ợc biểu diễn góc ph ơng vị gió Nh ta thấy hình 4.21, ph ơng vị l độ lớn góc kể từ h ớng bắc theo chiều kim đồng hồ Vì vậy, h ớng bắc đ ợc biểu diễn l 0o (hay 360o), h ớng đông có ph ơng vÞ l 90o, h íng nam l 180o v h ớng tây l 270o Một thiết bị đơn giản để quan trắc h ớng gió l cột đo gió wind vane Tốc độ gió đ ợc đo phong kế anenometer Các phong kế có cốc quay gắn v o trục truyền động Gió thổi v o cốc l m xoay trục để phát sinh dòng ®iƯn C êng ®é cđa dßng ®iƯn tû lƯ thn với tốc độ gió, đ ợc vẽ lên băng đồ l u số v o máy tính Nhìn giống nh máy bay cánh, máy đo gió aerovane (hình 4.22) h ớng gió v tốc độ gió Khi đổi h ớng, gió đẩy v o đuôi máy v định h ớng máy đo gió phía gió Giống nh phong kế, máy đo gió aerovane có tua bin để phát dòng điện biểu thị tốc độ gió http://www.ebook.edu.vn 157 Hình 4.21 Ph ơng vị Hình 4.22 Máy ®o giã aerovane Giã líp khÝ qun tÇng trung v tầng đối l u cao quan trọng đối víi viƯc ph©n tÝch thêi tiÕt gièng nh giã bỊ mặt v có ý nghĩa đặc biệt h ng không Số liệu gió mực cao đ ợc thu nhận cách theo dõi chuyển động bóng thám không Bóng thám không đ ợc quan khí t ợng khắp giới thả lên lần ng y, chúng mang theo tổ hợp thiết bị cung cấp thông tin nhiệt độ v độ ẩm 158 http://www.ebook.edu.vn Tóm tắt Phân bố áp suất Trái Đất l đặc điểm cực kú quan träng cđa khÝ qun Nã g©y giã v định không khí thăng hay giáng áp suất không khí tăng lên theo tăng mật độ v nhiệt độ không khí, nh ph ơng trình trạng thái đà biểu diễn Do áp suất giảm với độ cao, phải phân biệt áp suất bề mặt v ¸p suÊt mùc biÓn, ¸p suÊt mùc biÓn l mét chuẩn để so sánh vị trí khác áp kế thủy ngân v áp kế hộp dùng đo áp suất không khí, áp suất đ ợc biểu diễn đơn vị miliba, pascal kilopascal Sự phân bố không đồng khí l nguyên nhân sinh građien áp suất ngang Mặc dù l nhỏ so với građien áp suất thẳng đứng, chênh lệch theo ph ơng ngang áp suất gây gió tác hại Lực građien áp suất thẳng đứng lớn nhiều, nh ng th ờng bị bù trừ lực hấp dẫn gần nh ng tác động ng ợc h ớng, dẫn tới cân thủy tĩnh Trong điều kiện cân thủy tĩnh, građien áp suất thẳng đứng tỷ lệ thuận víi mËt ®é cđa khÝ qun nh ®· thĨ hiƯn ph ơng trình thủy tĩnh Những biến thiên không gian mật độ khí lớp d ới gây nên građien áp suất ngang khí lớp cao, tạo th nh tr ờng gió mực cao Giã theo ph ¬ng ngang thÝch øng víi hiƯu øng tổng hợp ba lực: lực građien áp suất, lực Coriolis v lùc ma s¸t C¸c lùc n y kÕt hợp để hình th nh dòng građien v dòng địa chuyển khí cao v dòng cắt qua đ ờng đẳng áp gần bề mặt Sự phân bố áp suất có xu th nh tạo nên hình xoáy nghịch, xoáy thuận, sống ¸p cao v r·nh ¸p thÊp víi quy m« t ơng đối lớn Cột đo gió, phong kế v máy đo gió aerovane, thiết bị đo hợp phần khác vận tốc gió Câu hỏi ôn tập áp suất riêng phần l gì? Định luật Dalton l gì? Vì áp suất giảm theo độ cao? Sự khác áp suất bề mặt v áp suất mực biển l gì? Tốc độ v vận tốc khác nh n o? thÕ n o? Lùc v ¸p suÊt kh¸c nh Ph ơng trình trạng thái v ph ơng trình thủy tĩnh l v chúng nói lên điều gì? Hai biến số n o định áp suất? HÃy mô tả áp kế thủy ngân v áp kế hộp đo áp suất không khí nh n o v giải thích phải sử dụng hiệu chỉnh cho số đo dụng cụ n y, dụng cụ không? Biểu diễn áp suất th nh độ cao thủy ngân dẫn tới nhầm lẫn nh n o? 10 Giải thích khái niệm cân thủy tĩnh? 11 Giải thích nhiệt độ không khí ảnh h ởng tới građien áp suất thẳng http://www.ebook.edu.vn 159 đứng? 12 Giải thích lực građien áp suất, lực Coriolis v lực ma sát định chuyển động không khí khí qun tù v líp biªn nh thÕ n o? 13 Mô tả vai trò (nếu có) vận tèc giã, vÜ ®é v h íng chun ®éng ®èi với độ lớn lực Coriolis 14 Dòng địa chuyển v dòng građien l gì? Tại chúng không xuất gần bề mặt? 15 Dòng siêu địa chuyển v dòng tựa địa chuyển l gì? 16 Định nghĩa thuật ngữ xoáy thuận, xoáy nghịch, rÃnh v sống 17 Mô tả vắn tắt chuyển động không khí xung quanh xoáy thuận v xoáy nghịch Bắc v Nam bán cầu 18 Các phong kế v máy đo gió đo đ ợc gì? Nhận xét suy luận Các bình nén kem cạo râu có dẫn ng ời dùng không giữ sản phẩm nơi bị tác động nhiệt Chuyện xảy ng ời ta tuân theo lời khuyên? Nguy tiềm ẩn có giữ nguyên suốt trình tồn sản phẩm không? Trong ng y cụ thể, građien áp suất thẳng đứng bề mặt l -11 Pa/m Građien áp suất thẳng đứng tính theo đơn vị mb/km bao nhiêu? Bạn dùng građien n y để xác định xác áp suất đỉnh tòa nh cao 200 m không? Nếu vùng có áp suất thấp đ ợc thay đột ngột hệ thống áp suất cao (giả thiết giá trị áp cao v thấp tr ờng hợp bình th ờng), bạn có nghĩ bạn nhận biết đ ợc chênh lệch áp suất tai mình? Liệu građien áp suất cụ thể có tạo tốc độ gió hoang mạc Arizona nh gió vùng rừng cao d y đặc không? Ng ời lái máy bay nhỏ muốn bay độ cao không đổi bên bề mặt Liệu phi công n y bay mực áp suất không đổi (ví dụ, 500 mb) để đảm bảo độ cao không đổi bên mặt đất hay không? Tại sao? Một kinh nghiÖm thùc tÕ l mùc 850 mb th êng chØ ranh giíi gi÷a khÝ qun tù v líp biên Có phần n o Bắc Mỹ không tuân theo quan hệ n y không? Lực Coriolis tác động nh vật chuyển động h ớng ngang Bạn có nghĩ hiệu ứng Coriolis tác động tới vật di chuyển thẳng đứng lên xuống d ới không? Nếu có vĩ độ ảnh h ởng nh thÕ n o tíi ®é lín cđa lùc? XÐt cao ốc 90 tầng với thang máy tốc độ nhanh Một ng ời từ tầng 46 lên tầng 90 có bị mức độ ù tai nh ng ời từ tầng lên tầng 45 không? T¹i sao? 160 http://www.ebook.edu.vn B i tËp lun H·y tìm tới trang web d ới có đồ bề mặt v mực 500 mb Xem xét đồ bề mặt hạn v xoáy thuận, xoáy nghịch, rÃnh v sống bề mặt Sau xem đồ 500 mb Cùng hình tổng quát có hay không? Các sống cao v rÃnh thấp mực 500 mb có xảy bên th nh tạo t ơng ứng đồ bề mặt không? (Những mối quan hệ bề mặt v mực 500 mb đ ợc b n luận tiếp ch ¬ng 10) H ng ng y, h·y tham khảo trang Web Kênh thời tiết www.weather.com HÃy đọc kỹ lời thoại mô tả hình thời tiết tổng quát to n n ớc Mỹ v xác định kiện thời tiết đáng ý diễn Sau xem đồ thời tiết bề mặt v mực 500 mb Quá trình n y giúp bạn quen thuộc với dạng phân bố áp st th«ng th êng v kiĨu thêi tiÕt th êng liên quan với chúng Khi bạn đọc xong sách n y, hình áp suất v quan hệ chóng víi thêi tiÕt h ng ng y sÏ trë nên hữu ích bạn Xem xét đồ thời tiết mực 500 mb hôm Bạn nhận thấy xu giảm độ cao mực 500 mb tăng vĩ độ Liệu có ngoại lệ n o đồ hình chung đó? Nếu có, hÃy quan sát nhiệt độ bề mặt Bắc Mỹ Hình nhiệt độ có liên hệ với hình 500 mb không? HÃy quan sát đồ thời tiết bề mặt biểu diễn đ ờng đẳng áp v mô hình trạm (http://www.atmo.arizona.edu/products/wximagery/ l nguồn tốt) Những hình dòng không khí xung quanh xoáy thuận v xoáy nghịch mô hình trạm biểu diƠn cã ho n to n t ¬ng thÝch víi quy tắc rút từ ch ơng n y không? Nếu không, sao? B i toán định l ợng Những chênh lệch áp suất khí to n cầu có ảnh h ởng quan trọng lên tất yếu tố quan trọng khác thời tiết Một số b i toán định l ợng đ ợc giới thiệu trang Web sách để giúp bạn hiểu khái niệm áp suất, giảm theo độ cao nh n o v mức độ nhạy cảm thay đổi độ ẩm Nó đ a b i toán để giúp minh họa ảnh h ởng vĩ độ tới lực Coriolis Để cập nhật tới vấn đề đó, hÃy v o trang Web v nhấn v o Ch ơng Sau nhấn tiêu đề Những b i toán định l ợng dẫn bên trái Các trang Web hữu ích http://www.atmo.arizona.edu/products/wximagery/ Cung cấp nhiều hình ảnh, đồ v phim ảnh Khi v o cột điều khiển thấy đồ thời tiết bề mặt v mực 500 mb Bắc Mỹ Các đồ n y đ ợc vẽ theo quy ớc đà đ ợc c¸c nh dù b¸o thêi tiÕt sư dơng qua nhiỊu thập kỷ Bạn quan sát đ ợc phim ảnh mặt 500 mb Bắc Mỹ (có phân bố n ớc) cách nhấn v o GOES Water Vapor Images http://www.ebook.edu.vn 161 http://weather.wyo.edu/upperair/uamap.html Cung cÊp cho ng ời dùng khả tạo đồ không khí cao mực khác vùng tùy ý Trái Đất Các đồ đ ợc l u trữ khoảng tuần http://weather.unisys.com/eta/index.html Gồm đồ hình không khí cao dự báo cho số bề mặt áp suất mực cao dựa mô hình dự báo Đầu từ mô hình khác; đồ dự báo ¸p st mùc biĨn v l ỵng m a http://www.princeton.edu/%7Eoa/safety/altitude.html Cung cấp thông tin lý thú áp suất thấp với độ cao tác động đến ng ời 162 http://www.ebook.edu.vn ... vị, hay áp suất bề mặt trung bình khoảng 10 ,13 2 N/cm2 chứa 5 , 14 ì 10 18 kg khối l ợng (Để hình dung 5 , 14 ì 10 18 kg nỈng nh thÕ n o, ta sÏ 5,0 ì 10 19 N (1 newton (N) l đơn vị đo lực cần để tăng... thiên mạnh khí Để hiển thị trực quan phân bố áp suất, nh khí t ợng học vẽ đ ờng gọi l đ ờng đẳng áp đồ thời tiết Hình 4- 6 Một đồ thời tiết biểu diễn phân bố áp suất mực biĨn ng y 4- 3 -1 9 94 L u ý... ? ?1 × 308 K = 1, 13 kg/m * Khi ta hạ nhiệt độ không khÝ xuèng ®Õn 278 K (5 oC hay 41 oF), ph ơng trình cho mật độ không khí = 10 0000 Pa ? ?1 287 J kg K ? ?1 × 278 K = 1, 25 kg/m MËt ®é n y gần 11 %