Thủy văn học - Chương 6

Hiện tượng lũ lụt, khô hạn, vấn đề điều khiển hệ thống thoát lũ và cung cấp nước, vấn đề chất lượng nước và môi trường là các vấn đề có ý nghĩa quan trọng trong thuỷ văn học hiện đại

Chương 6. Các đặc điểm của khí quyển trái đất. CHƯƠNG 6. CÁC ĐẶC ĐIỂM CỦA KHÍ QUYỂN TRÁI ĐẤT. 6.1.Thành phần khí quyển Trái Đất. Khí quyển tạo thành từ hỗn hợp của nhiều chất khí khác nhau. Cấu tạo thành phần khí quyển gần mặt đất và thành phần khí quyển trên cao là khác nhau. 6.1.1. Thành phần khí quyển gần mặt đất. Theo thể tích, thành phần khí quyển gần mặt đất bao gồm nitơ (78,09%), ôxy (20,95%), ocgon (0,93%). Còn lại là một lượng không đáng kể khí CO2, neôn, heli, hydro, metan, ozon, hơi nước và các tạp chất lơ lửng khác. Không khí không chứa hơi nước và tạp chất gọi là không khí sạch và khô. Các nghiên cứu cho thấy thành phần hoá học của không khí tương đối ổn định đến độ cao 90 - 100km. Đồng thời khối lượng phân tử của không khí cũng gần như không đổi trong lớp khí này, vì thế lớp khí này được gọi là khí đồng nhất. Sự ổn định của thành phần khí quyển trong lớp khí đồng nhất được giải thích nhờ sự trao đổi thẳng đứng và nằm ngang của không khí ở trong lớp đó. Xét một số dạng khí đặc biệt trong tầng thấp của khí quyển; -Hơi nước: vào khí quyển do sự bốc hơi từ nước mặt, đất ẩm và lớp phủ thực vật. Hơi nước đóng vai trò quan trọng trong khí quyển: ngưng kết, đóng băng tạo ra mây, mưa và các dạng nước rơi; hấp thụ bức xạ sóng dài của Trái Đất ảnh hưởng đến chế độ nhiệt… -Khí CO2: vào khí quyển từ đám cháy, sự phân huỷ của sinh vật, sự thở ra của động vật. Lượng CO2 tăng dẫn đến sự tăng lên của nhiệt độ không khí gần mặt đất. -Khí Ozon: ở tầng thấp, ozon sinh ra từ các loại chớp giông. Ở tầng cao, ozon sinh ra trong kết quả của sự tương tác tia tử ngoại mặt trời với oxy. Ozon có vai trò quan trọng là hấp thụ bức xạ tử ngoại mặt trời. Khí ozon có thể hấp thụ 4% năng lượng tia của mặt trời, làm tăng nhiệt độ không khí ở độ cao 20 - 50km. 6.1.2. Thành phần khí quyển trên cao. Từ độ cao 90-100km trở lên, thành phần khí quyển thay đổi mạnh. Trên 100km quan sát thấy có oxy đơn nguyên tử, trên 300 km thì một phần nitơ bị phân rã. Ở độ cao trên 1000km thành phần khí quyển chủ yếu là hêli và hydro. 6.2. Cấu trúc khí quyển. 6.2.1. Độ cao và khối lượng khí quyển. Dưới tác dụng của lực hút Trái Đất, mật độ không khí lớn nhất ở lớp gần mặt đất. Khi độ cao tăng lên, mật độ giảm xuống, dần dần mật độ không khí tiến đến gần mật độ của không gian vũ trụ. Ngày nay, tạm thời công nhận giới hạn vật lý trên cùng của khí quyển Trái Đất nằm ở độ cao 2000km. Khối lượng tổng cộng của khí quyển bằng 5,16 x 1021 g; gần 50% khối lượng này nằm trong lớp sát mặt đất có chiều dày 5km; 75% nằm trong lớp dày đến 10km; 90% trong lớp dày đến 16km. 6.2.2. Phân chia khí quyển thành các tầng. 6-1 Chương 6. Các đặc điểm của khí quyển trái đất. Có thể phân chia khí quyển theo một loạt các lớp cầu đồng tâm. Sự phân chia đó thực hiện theo các ngun tắc khác nhau. Theo đặc trưng của sự thay đổi nhiệt độ với độ cao và theo chế độ nhiệt bên trong mỗi lớp thì khí quyển được chia thành 5 tầng (lớp cầu) như bảng 6.1. Giữa các tầng đó là lớp chuyển tiếp). Bảng 6.1. Phân chia khí quyển theo độ cao và chế độ nhiệt Các tầng (lớp cầu) Độ cao trung bình (km) Các lớp chuyển tiếp Tầng đối lưu 0 - 11 Lớp đối lưu hạn Tầng bình lưu 11 - 50 Lớp bình lưu hạn Tầng trung gian 50 - 80 Lớp mezo hạn Tầng nhiệt 80 - 800 Lớp termo hạn Tầng khí quyển ngồi 800 - 2000 Tầng đối lưu: đặc điểm nổi bật của tầng này là nhiệt độ hạ theo độ cao, trung bình hạ từ 6-70 trên 1 km độ cao. Trong tầng đối lưu có hơi nước, mây, mưa, tuyết, sương mù…; càng lên cao cường độ gió càng tăng, đạt giá trị cực đại ở gần giới hạn trên. Áp suất khơng khí giảm mạnh theo độ cao, ở độ cao 5km áp suất còn lại 1/2, ở độ cao 10km là 1/4 so với mặt đất. Độ cao của giới hạn trên tầng đối lưu khơng ổn định, phụ thuộc vào các mùa trong năm và đặc tính của các q trình khí quyển. Tầng bình lưu: là tầng nằm sát trên tầng đối lưu. -Giữa tầng đối lưu và tầng bình lưu là lớp đối lưu hạn dày từ 1-2km, trong lớp này nhiệt độ ngừng hạ theo độ cao. -Đặc điểm của tầng bình lưu là sự ổn định nhiệt độ theo độ cao ở phần dưới và tăng dần theo độ cao bắt đầu từ km 25 cho đến giới hạn trên. Ở giới hạn trên của tầng bình lưu nhiệt độ tăng đến 00C, có thể đến +100C thậm chí +300C, ngun nhân là do tính hấp thụ lớn của lớp ozơn ở tầng này. Trong tầng bình lưu rất hiếm hơi nước và hầu như khơng có mây. Tầng trung gian: là tầng nằm sát trên tầng bình lưu. -Giữa tầng trung gian và tầng bình lưu là lớp bình lưu hạn. -Trong tầng trung gian nhiệt độ hạ theo độ cao, tại giới hạn trên của tầng này nhiệt độ xuống tới -70, -800C. Trong tầng trung gian mật độ khơng khí khơng đáng kể, áp suất khơng khí nhỏ hơn khoảng 200 lần so với áp suất trên mặt đất, tốc độ gió đạt vài trăm km/giờ. Tầng nhiệt: đặc trưng của tầng này là sự tăng lên của nhiệt độ theo độ cao, do sự hấp thụ năng lượng mặt trời của các ngun tử ơxy. Theo tính tốn tại giới hạn trên (khoảng 800km) nhiệt độ có thể đạt tới 750 - 15000, dĩ nhiên là khơng thể đo được chính xác. Khí quyển tầng nhiệt vơ cùng lỗng. Tầng khí quyển ngồi: nhiệt độ của khơng khí ở tầng này có thể đạt cao hơn tầng nhiệt, chuyển động của các chất khí nhẹ như hyđrơ và hêli có tốc độ rất lớn, đạt 11,2km/s và thắng lực hấp dẫn đi vào khơng gian giữa các hành tinh. Theo tính chất điện: có thể phân thành tầng điện ly (tương đương với tầng nhiệt). Trong phần lớn độ dày của tầng điện ly (từ 60-80km đến 800-1000km) có mật độ lớn của các ion ngun tử và phân tử của các chất khí khác nhau. 6-2 Chương 6. Các đặc điểm của khí quyển trái đất. Tầng điện ly lại được chia thành 3 lớp theo mức độ ảnh hưởng của chúng đến sự truyền sóng vô tuyến: lớp D (60-80km), lớp E (100-120km) và lớp F (200-400km). 6.3. Các bộ phận khí quyển điển hình và thời tiết trong đó. 6.3.1. Khái niệm về thời tiết. Trạng thái khí quyển trên mặt địa cầu tại thời điểm đã cho, ở một vị trí nào đó được đặc trưng bởi tập hợp những giá trị của các yếu tố khí tượng, đồng thời bởi những thay đổi liên tiếp của chúng sau một khoảng thời gian nhất định gọi là thời tiết. Thời tiết là đại lượng biến đổi theo không gian và thời gian. Thời tiết có thể biến đổi với chu kỳ xác định, có liên quan với tiến trình ngày và năm của các yếu tố khí tượng, liên quan tới sự thay đổi vị trí có chu kỳ của hệ Trái Đất - Mặt trời và các thiên thể khác. Thời tiết cũng có những biến đổi không có chu kỳ, xảy ra không phụ thuộc vào các biến đổi thiên văn có chu kỳ nói trên, mà liên quan đến sự tồn tại và dịch chuyển các khối không khí, các front khí quyển, sự hình thành và biến đổi các xoáy thuận và xoáy nghịch, gọi chung là các bộ phận khí quyển điển hình. 6.3.2. Khí đoàn. 6.3.2.1. Định nghĩa khí đoàn. Hầu hết không khí trong tầng đối lưu là đồng nhất về tính chất vật lý theo chiều cao và cả chiều ngang. Những khối không khí đồng nhất có bề dày từ mấy trăm mét, đến trên mười km và bề rộng hàng nghìn km, có thể trao đổi giữa vùng nọ với vùng kia của Trái Đất được gọi là khí đoàn. Trong khí đoàn có sự thay đổi tính chất chung nhưng chậm và liên tục không có bước nhảy. Các đặc trưng, gọi là được bảo tồn là độ ẩm riêng, độ ẩm tuyệt đối, điểm sương, tầm nhìn ngang. Đặc trưng dễ biến đổi theo thời gian và không gian là nhiệt độ không khí và độ ẩm tương đối. Các tính chất của một khí đoàn không chỉ phụ thuộc vào đặc điểm mặt trải dưới (mặt đệm) mà còn phụ thuộc vào điều kiện thời tiết mà nó được tạo nên. 6.3.2.2. Sự tạo thành và biến đổi của khí đoàn. Quá trình hình thành một khí đoàn là quá trình tiếp nhận các tính chất đặc trưng của nó. Điều kiện thuận lợi cho việc tạo ra một khí đoàn là các vùng xoáy nghịch xoáy thuận ít di chuyển, trong các trường khí áp đan xen nhau. Tại đây không khí có thể đứng lâu chỉ trên một vùng địa dư mà thôi. Vùng đó gọi là lò tạo lập của khí đoàn. Chế độ nhiệt của mặt trải dưới ở lò tạo lập cần phải gần như đồng đều. Những vùng như thế, chỉ có trên đại dương, trên đất liền với cùng một lớp phủ (sa mạc, thảo nguyên). Trong một thời gian dài, không khí thay đổi tuần hoàn trên những vùng, với mặt trải dưới giống nhau, và dần tiếp nhận những tính chất điển hình của ổ tạo lập ra khí đoàn đó. Sự tạo thành khí đoàn, trong các lớp khí dưới thấp của tầng đối lưu, kéo dài mấy ngày liền (từ 3-10 ngày). Thời gian ở lâu trên một vùng của không khí càng lớn thì các tính chất của khí đoàn thể hiện càng rõ. Xét về mặt phụ thuộc của trạng thái thời tiết (lượng mây, tốc độ gió ) trên vùng một ổ tạo lập, khí đoàn có thể tiếp nhận một vài giá trị đặc trưng khác nhau của các yếu tố khí tượng. 6-3 Chương 6. Các đặc điểm của khí quyển trái đất. Sự biến đổi (đổi dạng) của khí đoàn: trong sự thay đổi cường độ và hướng của các dòng không khí trong khí quyển, khí đoàn từ bỏ ổ tạo lập ra mình và chuyển động sang vùng khác. Trong quá trình dịch chuyển, nó bị cuốn vào những tác động mới của môi trường xung quanh và thay đổi tính chất khí đoàn, trong suốt thời gian chịu tác động của hoàn lưu khí quyển và của mặt trải dưới gọi là sự biến đổi của khí đoàn. Khí đoàn đi qua biển và đại dương bị ẩm thêm, còn trên đất liền bị khô thêm, nếu đi về hướng nhiệt đới - bị nóng lên, còn về hai cực - lạnh thêm. Khi dự báo thời tiết cần phải biết được khí đoàn đó như thế nào, từ đâu tới, tính chất của nó sẽ thay đổi ra sao. Để làm điều đó, các khí đoàn phải phân loại theo các dấu hiệu khác nhau. Có hai cách phân loại khí đoàn: theo trạng thái nhiệt và theo vĩ độ địa dư. 6.3.2.3. Phân loại khí đoàn. Theo trạng thái nhiệt, khí đoàn được phân thành ba dạng chính; -Khí đoàn lạnh: là loại khí đoàn di chuyển từ vùng lạnh hơn về vùng nóng hơn. Khí đoàn lạnh đi đến đâu thì ở vùng đó nhiệt độ hạ xuống, bản thân khí đoàn từ từ nóng lên. -Khí đoàn nóng: là khí đoàn dịch chuyển từ vùng nóng hơn đến vùng lạnh hơn. Khí đoàn nóng đi đến đâu thì ở vùng đó nhiệt độ nóng lên, bản thân khí đoàn từ từ lạnh đi. -Khí đoàn địa phương: là loại khí đoàn đứng lâu trên một vùng nào đó, nó giữ được những tính chất của chính mình mà không hề thay đổi. Khí đoàn loại này có thể tương đối lạnh hoặc tương đối nóng, so với dạng khí đoàn bên cạnh theo những điều kiện của sự cân bằng bức xạ. Các khí đoàn nóng, lạnh, địa phương theo trạng thái năng lượng của mình, có thể bền vững hoặc không bền vững. Nếu phân theo địa dư, có thể chia thành 4 loại khí đoàn chính với toạ độ địa lý khác nhau của các ổ tạo lập: khí đoàn cực, khí đoàn gần cực, khí đoàn nhiệt đới và khí đoàn xích đạo. Một trong các khí đoàn trên, lại chia thành 2 loại: khí đoàn biển và lục địa, phụ thuộc vào đặc điểm và ưu thế của mặt trải dưới của ổ tạo lập và theo hướng đi của khí đoàn. Ví dụ: khí đoàn Bắc cực, tiến vào châu Âu, qua Scandinavi và phần Tây Bắc của Liên Xô (cũ) gọi là khí đoàn Bắc cực lục địa; khí đoàn đi đến châu Âu từ vùng Greenland - Spixbergen gọi là khí đoàn Bắc cực biển vì nó trải qua một khoảng dài trên mặt biển rộng và nước ấm. 6.3.3. Front khí quyển. 6.3.3.1. Khái niệm về front khí quyển. Lớp chuyển tiếp nằm giữa hai khí đoàn khác nhau gọi là mặt front (hay frontal). Frontal có thể cao đến mấy km, đôi khi đến giới hạn trên của tầng đối lưu, ở đó sự trải rộng ngang đến hàng mấy trăm và thậm chí đến hàng ngàn km. Bề rộng của frontal trên mặt đất chỉ vài chục km. So với kích thước của các khí đoàn thì lớp front có kích thước ngang không đáng kể. Vì thế giao tuyến của frontal với mặt đất hoặc với mặt phẳng nào đó gọi là front (hoặc đường front). Liên quan với front là sự thay đổi của tất cả các yếu tố khí tượng, tạo thành các hệ thống mây rộng lớn, cho giáng thuỷ, gió tăng cường. Front giữa hai khí đoàn không tồn tại vĩnh viễn và không cố định mà luôn có sự biến đổi - hình thành và mất đi vì các khí đoàn luôn thay đổi tính chất của mình, thay đổi hướng các dòng khí. Front có thể được phân chia theo địa dư và theo hướng chuyển động. 6-4 Chương 6. Các đặc điểm của khí quyển trái đất. 6.3.3.2. Phân loại front. Theo địa dư, có thể phân thành; -Front Bắc cực (hoặc Nam cực): phân cách không khí Bắc cực (hoặc Nam cực) với không khí vĩ độ trung bình. -Front cực: ngăn cách không khí vĩ độ trung bình với không khí nhiệt đới. -Front nhiệt đới: ngăn cách không khí nhiệt đới với không khí xích đạo. Theo hướng chuyển động, chia thành các dạng; -Front nóng: khi nó dịch chuyển về phía không khí lạnh hơn, không khí lạnh bị đẩy lùi, không khí nóng tiến tới chiếm chỗ. -Front lạnh: khi không khí nóng được thay chỗ bởi không khí lạnh. -Front ít di chuyển: là loại có sự dịch chuyển rất chậm, khi đó khó xác định được đặc điểm của nó là nóng hay lạnh. -Front cố tù: là front phức hợp trên chỗ nối của front nóng và lạnh. 6.3.4. Xoáy thuận. Xoáy thuận là vùng khép kín của áp suất thấp, với chuyển động của không khí ngược chiều kim đồng hồ ở Bắc bán cầu và cùng chiều kim đồng hồ ở Nam bán cầu. Trên bản đồ thời tiết, nó được thể hiện dưới dạng hệ thống khép kín của các đường đẳng áp, với khí áp cực tiểu ở tâm. Với cấu trúc như vậy, građien khí áp ngang có hướng vào tâm của xoáy thuận. So với các hệ thống khí áp khác, các xoáy thuận có đại lượng gradien khí áp lớn nhất và tốc độ gió lớn nhất. Trong các xoáy thuận sâu, khá phát triển, tốc độ gió gần tâm có thể đạt tới 60 - 70m/s hoặc lớn hơn. Tại chính trung tâm của xoáy thuận, gradien khí áp bằng 0 và tốc độ gió không đáng kể, khu vực này được gọi là mắt bão. Trong khí quyển trái đất, không ngừng xảy ra sự hình thành phát triển và mất đi của các xoáy thuận. Thời gian tồn tại của xoáy thuận từ vài giờ đến vài ngày. Trong khí quyển luôn tạo ra các điều kiện khác nhau, ở một số điều kiện này cho phép phát triển xoáy thuận, ở các điều kiện khác lại ngăn cản sự phát triển. Hiện nay có nhiều học thuyết về sự hình thành xoáy thuận, nhưng nhìn chung đều chưa giải thích đầy đủ quá trình phát triển của chúng. Phụ thuộc vào những đặc điểm của sự phát sinh và phát triển, cũng như vào các vùng địa lý khác nhau, chia xoáy thuận thành xoáy thuận nhiệt đới và xoáy thuận ngoại nhiệt đới. Cần chú ý đến xoáy thuận nhiệt đới, là vùng có tỷ lệ không lớn, nhưng các xoắn ốc sâu, sinh ra động năng lớn, gradien khí áp trong xoáy thuận nhiệt đới đã phát triển là lớn nhất so với các hệ thống khí áp khác và theo nó tốc độ gió cũng mạnh nhất. Ở nước ta, xoáy thuận nhiệt đới còn được gọi là bão nhiệt đới, ngoài ra còn được gọi là typhoon, hurricane …, gọi chung là áp thấp nhiệt đới (tropical depression). Thời tiết trong xoáy thuận nhiệt đới: -Thời gian hoạt động của xoáy thuận nhiệt đới được tính từ lúc nó mới hình thành cho tới khi tan rã hoàn toàn. Theo từng giai đoạn phát triển của xoáy thuận nhiệt đới, điều kiện thời tiết cũng rất khác nhau. Tuỳ thuộc vào tốc độ gió ở vùng gần tâm, phân chia xoáy thuận nhiệt đới thành 4 loại chính: 6-5 Chương 6. Các đặc điểm của khí quyển trái đất. -Áp thấp nhiệt đới: tốc độ gió dưới 17m/s hoặc dưới cấp 7. -Bão nhiệt đới vừa: tốc độ gió từ 17÷24 m/s hoặc từ cấp 8÷9. -Bão nhiệt đới mạnh: tốc độ gió từ 25÷32 m/s hoặc từ cấp 10÷11. -Bão nhiệt đới cực mạnh: tốc độ gió trên 32 m/s, cấp 12 trở lên. 6.3.5. Xoáy nghịch. Xoáy nghịch là vùng khí áp cao, với những đường đẳng áp khép kín. Không khí trong xoáy nghịch chuyển động cùng chiều kim đồng hồ ở Bắc bán cầu và ngược chiều ở Nam bán cầu. Gradien trong xoáy nghịch hướng từ trong ra ngoài; gió ở vùng trung tâm xoáy nghịch yếu, đôi khi lặng gió, ở vùng ngoại vi gió mạnh hơn. Tốc độ gió lớn nhất thường thấy ở phía trước của xoáy nghịch. Tần suất xuất hiện xoáy nghịch và cường độ của nó phụ thuộc vào mùa trong năm và trạng thái mặt trải dưới. Trên các lục địa, các xoáy nghịch phát triển mạnh hơn về mùa đông, trên các đại dương ở các vĩ độ trung bình và cao thì phát triển mạnh vào mùa hạ, còn ở vùng phó nhiệt của các đại dương cả Bắc lẫn Nam bán cầu thì trong tháng 8,9. 6.3.6. Hoàn lưu khí quyển. Hoàn lưu khí quyển là tập hợp những dòng không khí bao trùm những diện tích rộng lớn trên trái đất và tương đối ổn định. Nhờ những dòng không khí đó nên các khối không khí ở những phần riêng biệt của trái đất thực hiện được sự trao đổi lẫn nhau. Hoàn lưu khí quyển hình thành chủ yếu dưới tác động của những nhân tố sau đây: Sự phân bố không đồng đều của bức xạ mặt trời trên các vĩ độ khác nhau. Chuyển động ngày đêm của trái đất, sinh ra lực Coriolit. Sự không đồng nhất của mặt đệm (tức là sự phân tách bề mặt địa cầu thành các lục địa và đại dương) Ngoài Khí đoàn và mặt front, các khái niệm về xoáy thuận, xoáy nghịch, hoàn lưu khí quyển cũng như đặc điểm thời tiết trong các bộ phận khí quyển điển hình có thể tìm hiểu thêm trong tài liệu […]. 6-6 . của tầng điện ly (từ 6 0-8 0km đến 80 0-1 000km) có mật độ lớn của các ion ngun tử và phân tử của các chất khí khác nhau. 6- 2 Chương 6. Các đặc điểm của khí. sóng vô tuyến: lớp D (6 0-8 0km), lớp E (10 0-1 20km) và lớp F (20 0-4 00km). 6. 3. Các bộ phận khí quyển điển hình và thời tiết trong đó. 6. 3.1. Khái niệm về thời