Giáo trình Vật lí khí quyển: Phần 1 – PGS.TS. Nguyễn Văn Thắng

Giáo trình Vật lí khí quyển: Phần 1 – PGS.TS. Nguyễn Văn Thắng trang bị cho người học các kiến thức thành phân và cấu trúc khí quyển; áp suất khí quyển; bức xạ mặt trời; chế độ nhiệt.

PGS TS NGUYỄN VĂN THẮNG GIÁO TRÌNH VẬT LÝ KHÍ QUYỂN NHÀ XUẤT BẢN TÀI NGUN-MƠI TRƯỜNG VÀ BẢN ĐỒ VIỆT NAM Giáo trình Vật lý khí V LỜI NĨI ĐẦU ật lý khí khoa học nghiên cứu tƣợng trình vật lý khác xảy khí nhƣ phát xạ, đốt nóng - làm lạnh, chu trình chuyển đổi pha: Hơi nƣớc - nƣớc - đá, chuyển động khí qui mơ mơi trƣờng khác Nói cách khác, theo nghĩa rộng, mơn vật lý khí khoa học nghiên cứu xạ mặt trời, cân nhiệt lƣợng, cân lƣợng nƣớc hồn lƣu khí coi mơn học vật lý khí khoa học sở lý luận khí hậu học Vật lý khí ln tiến đến kết cuối tìm kiếm cách thức dự báo tƣợng khí – đại dƣơng Tất nhiên, khó khăn dự báo phụ thuộc vào hiểu biết ngƣời qui luật vật lý điều khiển dịng chảy khơng khí cách định lƣợng Việc cung cấp kiến thức đầy đủ cho chƣơng trình đào tạo đại học sau đại học vật lý khí quyển: Thành phần khí quyển; Áp suất khí quyển; Bức xạ mặt trời; Chế độ nhiệt; Chuyển động đối lƣu khí quyển; Động lực học khí Hồn lƣu khí ln u cầu cấp thiết Giáo trình "Vật lý khí quyển" đƣợc biên soạn với mục đích đáp ứng yêu cầu chƣơng trình đào tạo đại học đại học chun ngành khí tƣợng thủy văn, phịng chống thiên tai phát triển bền vững Trong trình biên soạn giáo trình, chúng tơi nhận đƣợc giúp đỡ quý báu Viện Khoa học Khí tƣợng Thủy văn Biến đổi khí hậu đơng đảo đồng nghiệp ngành Các tác giả chân thành cảm ơn giúp đỡ quý báu Xin chân thành cảm ơn TÁC GIẢ 11 Giáo trình Vật lý khí CHƢƠNG I: THÀNH PHẦN VÀ CẦU TRÚC KHÍ QUYỂN 1.1 Thành phần khí + Thành phần khí phụ thuộc vào nhóm chất tồn khí quyển, là: - Các nhóm chất khí nhƣ: Nitơ (N2), Ơxi (O2) Acgơn (A) có lƣợng khơng thay đổi tồn đến độ cao tầng nhiệt (Turbopausa) Trong số cịn có nƣớc (H2O), nhiên lƣợng nƣớc không khí thay đổi mạnh theo thời gian khơng gian - Các chất khí ổn định chất hố học bền vững, nhƣng có lƣợng nhƣ khí Cácbonnic (CO2), Ơxít Các bon (CO), Mê tan (CH4) Thêm vào số cịn có Ozon tầng đối lƣu tầng bình lƣu, coi tƣơng đối ổn định - Các phân tử chƣa bão hồ khơng ổn định (trong hoá học gọi "xúc tác tự do") Các chất có số lƣợng nhƣng hoạt tính hố học mạnh, nhanh chóng tạo thành phân huỷ (thỉnh thoảng với nhóm 2) - CH3OOH, CH2O, NO, HO2, OH tƣơng tự Thêm vào số cịn có Ozon tầng cao khí - Các Sol khí hạt nhỏ cứng lỏng chất khác lơ lửng khơng khí (khói, bụi, hạt mây, sƣơng mù ) Trong khơng khí khơ (là khơng chứa nƣớc hạt chất rắn chất nƣớc cả), lƣợng chất nhƣ sau: Bảng 1.1: Các chất khí khí (khơng tính đến nước) Những chất N2 Nitơ (O2) A Ơxi Acgon CO2 Khí Cácbonnic Lƣợng chứa % 78,08 20,95 0,93 theo thể tích 0,03 Mật độ so với 0,97 1,11 khơng khí 1,38 1,53 Phân tử lƣợng 39,9 44 28 32 Ne CH4 Neon Mê tan Kr H2 Kripton Hydro 1,8x10-3 1,2-1.5x10-4 1,4x10-4 5x10-5 20,2 32 16 83,8 N2O 2-Ôxit Nitơ 3,5x10-3 44 Giáo trình Vật lý khí - Nitơ N2 chiếm 78,08% thể tích trơ (khí trơ) hầu nhƣ không tham gia hấp thụ lƣợng chuyển thành hợp chất khí Chỉ lớp thổ nhƣỡng có số loại vi khuẩn sử dụng Nitơ, cách chuyển vào thành phần thể sống đồng thời thả vào khí lƣợng khơng lớn 2-Ơxit Nitơ (N2O) có mặt tầng đối lƣu khoảng 3,510-5 % thể tích Hai Ơxit Nitơ sau tạo Ơxit Nitơ (NO) đóng vai trị định việc hình thành tầng ion Năng lƣợng cần để tách phân tử N2 khoảng 9,76ev (1ev = 1,60210-19J Lƣợng tử có lƣợng 1ev tƣơng ứng với bƣớc sóng l = 1,2394µm) Cịn Ơxi cần lƣợng 5,12ev với l = 127nm Nhƣ vậy, việc điện phân N2 xẩy độ cao cao (trên 100km) nơi khơng cịn có O2 Acgon (A) hầu nhƣ bị động (cũng nhƣ Neon, Kripton Csêton) Trong tầng nhiệt chất khí nặng nên khơng có Heli (He) đƣợc tạo thành thơng qua phản ứng phóng xạ 1.2 Cấu trúc khí lớp khí Khí vỏ bọc khí quanh trái đất có trọng lƣợng (kể phần thể tích lục địa chiếm bề mặt biển) 5,157x 1015 = 1/triệu trọng lƣợng trái đất (5,98x1021 tấn) Trái đất có dạng hình Elíp quay với nửa trục xích đạo 6.378,2km, nửa trục cực 6.356,9km (độ nén khoảng 1/298,24) Bề mặt trái đất mặt nƣớc biển 510.075.800km2, chu kỳ vòng quay quanh trục 23 56 phút 4,1 giây Đến gần độ cao 200km, khơng khí bám theo trái đất nhƣ lớp mỏng nơi (theo phƣơng ngang) Nhƣng cao 200km nhiệt độ mật độ khơng khí thay đổi mạnh theo thời gian khơng gian khí bị dao động, giãn nở, nén lại Dó khí bên ngồi có hình dáng khơng chuẩn 1.2.1 Các lớp khí + Trong khí có số lớp Đối lƣu, Bình lƣu, Tầng Mezo, Tầng nhiệt (thỉnh thoảng gọi tầng ion) - Tầng Đối lƣu: Có độ cao từ mặt đất đến 17km vùng từ 420B - 420N chiếm 67% bề mặt trái đất đến độ cao 11km ngồi vùng 34 Giáo trình Vật lý khí Trong tầng đối lƣu, nhiệt độ giảm theo độ cao, nhiều có bất ổn định, chuyển động vận chuyển phƣơng đứng mạnh, nhƣ điều kiện thuận lợi cho việc chuyển nhiệt thành động Do sƣởi ấm khác theo vĩ độ, lục địa biển, , dịng biển nóng, lạnh nên xuất dịng khơng khí nóng, lạnh tầng đối lƣu Chúng thƣờng đƣợc phân cách ranh giới rõ ràng Front Các dịng thăng, sóng Front tạo đám mây có dạng khác tầng đối lƣu mà từ gây tuyết, mƣa Phần dƣới tầng đối lƣu khoảng 1,0 - 1,5km gọi lớp biên Trong lớp biên có trao đổi tích cực chuyển động, nhiệt nƣớc khí bề mặt trái đất đại dƣơng hình thành rõ Front, xuất gió địa phƣơng (cục bộ) Phần dƣới lớp biên khoảng 50m gọi lớp sát đất khí quyển, gradient phƣơng đứng nhiệt độ lớn, vận tốc gió độ ẩm cao - Ranh giới chuyển từ tầng đối lƣu lên bình lƣu gọi đối lƣu hạn (tropopause) Phần dƣới tầng bình lƣu, gradient phƣơng đứng nhiệt độ nhỏ sau nhiệt độ tăng nhanh theo độ cao từ khoảng 34-36km đến bình lƣu hạn (Stratopause) gần 50m Tầng bình lƣu hầu nhƣ ấm nhƣ mặt đất (trung bình khoảng 2700K) Sự phân bố nhiệt độ nhƣ không thuận lợi cho việc phát triển chuyển động đứng bất ổn định Độ ẩm nhỏ mây đƣợc tạo thành Thành phần không khí khác đối lƣu hỗn hợp Ozon nhiều - Cao tầng bình lƣu tầng Mezo (tầng trung quyển), nhiệt độ lại tiếp tục giảm theo độ cao có đến -1100C (ở phần trên) xuất đám mây bạc mà hình dạng chứng tỏ tầng Mezo có tồn sóng xốy Lớp chuyển tiếp gọi Trung hạn Mezo hạn (Mezopause) độ cao khoảng 82km - Trên tầng Mezo (từ Mezo hạn) tầng nhiệt quyển, nhiệt độ tăng nhanh theo độ cao (ở độ cao 200-250km, có nhiệt độ lên tới 1800K) Ở độ cao khoảng 106km, khơng khí khí di chuyển nhiều dịng chảy khơng khí gió, thành phần khơng khí khắp nơi nhƣ nhau, nhƣng cao độ cao này, đƣợc gọi độ cao "nhiệt hạn" (Turbopause), khơng khí bị thay đổi: Phần lớn có Oxi nguyên tử (O), khơng có CO2 xuất 54 Giáo trình Vật lý khí ion hố mạnh Cho nên phần cuối hay gọi tầng ion Trên cao tầng ngoại Nhiệt KM 1000 - 300 - 100 - p = 0,6 10-6 atm 80 - Nhiệt hạn Mêzô Mêzô hạn 60 - Bình lưu hạn 40 - T Bình lưu 30 20 15 - Đối lưu hạn Đối lưu 10 - p = 1atm T = 200 250 300 Hình 1.1 Cấu trúc khí 1.2.2 Các yếu tố khí tượng + Những đại lượng đặc trưng cho trạng thái khí tượng thời tiết riêng biệt đối tượng quan trắc khí tượng chung, gọi yếu tố khí tượng - Những yếu tố khí tượng là: Áp suất khí Nhiệt độ khơng khí 56 Giáo trình Vật lý khí Độ ẩm khơng khí Lƣợng mây dạng mây Những giáng thuỷ khí lớp tuyết phủ Gió Tầm nhìn xa - Những yếu tố khí tƣợng bổ sung là: Nhiệt độ đất nhiệt độ nƣớc Độ bốc nƣớc 10 Thời gian mặt trời chiếu sáng Ngồi ra, ngƣời ta cịn ghi tƣợng khí khác (nhƣ tƣợng điện, quang, sấm, chớp ) Các tƣợng khí tƣợng đƣợc Tổ chức Khí tƣợng giới (WMO) phân loại gồm: Thuỷ, thạch, điện quang tƣợng nhƣ sau: Thuỷ tƣợng: Là tƣợng khí tƣợng sinh biến đổi trạng thái khác nƣớc khí nhƣ: Mƣa, mƣa phùn, mƣa đá, tuyết hay hạt nhiều lơ lửng khí nhƣ sƣơng mù, mù ; hạt bị gió nâng lên nhƣ nƣớc, bão tuyết, , kết ngƣng kết sát mặt đất nhƣ sƣơng móc, sƣơng muối, Thạch tƣợng: Là tƣợng đƣợc tố thành hạt phần lớn rắn khơ, lơ lửng khơng khí nhƣ mù khơ, khói, , bị gió nâng lên di chuyển mặt đất nhƣ bão, bụi, bão cát, Điện tƣợng: Gồm hình thức biểu điện khí mà ta thấy đƣợc, nghe đƣợc nhƣ chớp, sấm, cực quang, Quang tƣợng: Là tƣợng sinh phản xạ, khúc xạ, nhiễu xạ, giao thoa ánh sáng từ mặt trời, mặt trăng nhƣ quầng, tán, cầu vồng, vân ngũ sắc, Các tƣợng có quy định ghi theo ký hiệu + Bổ sung cho quan trắc yếu tố khí tƣợng cịn có tổ chức quan trắc đặc biệt nhƣ: - Những quan trắc cao không nhằm nghiên cứu lớp cao khí 76 Giáo trình Vật lý khí Giả sử hàm nhiệt độ tĩnh (không dịch chuyển theo thời gian) xạ phụ thuộc độ cao z Với dθ = phƣơng trình (4.19), (4.22), (4.25), (4.26) tạo thành hệ phƣơng trình với biến hàm z A, B, w E (hoặc T) Giả sử lƣợng nhiệt trung bình giới hạn khí (z = ) vĩ độ cho sẵn w phản xạ lại A'w (A' An be đo bề mặt trái đất mây thuộc phần sóng ngắn phổ) Khi đó, z =   w = w (1 - A') = w0 (4.27) Theo điều kiện cân nhiệt cột khí quyển, z = , B = w0; z = , A(Z) = giới hạn khí dòng rối nhiệt dT    tìm nghiệm hệ phƣơng trình (Kiben) Điều kiện dz biên mặt đất, z =  dT  A w B  dZ (4.28) Khi z = 0, có cân lƣợng nhiệt thu lƣợng nhiệt thải (cho) thải (cho) nhiệt để làm nóng thổ nhƣỡng trung bình = Giả sử tiếp rằng, xạ thổ nhƣỡng khác với xạ vật đen Nghĩa z = thì: B = (1 - A")ζT4 (4.29) A": An beđơ thổ nhƣỡng xạ sóng dài dA   ( A  fE ) dz dB   ( fE  B) dz Có thể coi xạ hấp thụ khí dƣới đƣợc xác định nƣớc H2O Nhƣ phƣơng trình (4.22), (4.25) : ρ = ρn (mật độ riêng nƣớc) Cho độ ẩm riêng q giảm theo độ cao theo công thức thực nhiệm q hàm z(km): 7980 Giáo trình Vật lý khí q = q0  10- az - bz (4.30) a,b = const (thay đổi theo mùa), coi n  qkk Vì q giảm lên trên, nên ρn giảm lên nhanh tỷ trọng không khí Độ dày quang học độ cao z là:     dz (αρ = k) (4.31) z Khi z =  η = 0, cịn z =  đạt đến giá trị cực đại η* Thay biến phụ thuộc khơng có kích thƣớc (đơn vị đo) a, y ε theo đẳng thức B + A = w0a, B - A = w0y, E = w0ε trình: Thì theo (4.19), (4.22), (4.23), (4.25), (4.26) ta có hệ phƣơng             (4.19) : w  w0 e    (4.22) : da y d  (4.26) : dy  a  2 d (4.32) Điều kiện: Khi η = 0, a = 1, y = (A = 0, w = B) Phƣơng trình dθ có dạng: d  dT   w0 (a  2  e       d  d  hay  dT  w0 ( y  e   )  d 8180 (4.33) (4.34) Giáo trình Vật lý khí Dạng đơn giản nhất, khơng có rối khí   =  y = e-βt, a    T   (1  e   ) (4.35)   w w  1 w0   (a   e  )  1      e   f 2f 2f      (4.36) Từ (4.36) suy trạng thái cân xạ, nhiệt độ phụ thuộc vào tỷ lệ β = α'/α độ dầy quang học η khí Vì β <  nhiệt độ giảm lên với giảm η đạt giới hạn η = là: T  w0 (1   ) ; (η=0) f (4.37) Theo lý thuyết giản đơn (rút gọn) này, phân bố phƣơng đứng A, B, w nhiệt độ T đƣợc tính tốn β = 0,2, T = 2180K, αρ0 = 1,32  10-5cm-1 (ở trái đất) Gần bề mặt trái đất η* = 3,78 T = 2880K 8182 Giáo trình Vật lý khí Hình 4.2 Phân bố lý thuyết nhiệt độ T đại lƣợng w, A, B khí với điều kiện cân xạ (hàm độ cao z độ dày quang học η), β = 0,2 Theo công thức (4.36) đồ thị Hình 4.2, gradient  dT  nhiệt độ      giảm nhanh theo độ cao lên đến 9,06  dz  km đạt γ = 0,2 /100m Độ cao γ  0,20/100m, tạm gọi đối lƣu hạn Trên tầng bình lƣu (đẳng nhiệt) Cũng từ (4.36) thấy lớp dƣới tầng đối lƣu γ lớn vƣợt gradient đoạn nhiệt γa ( 10/100m) gây đối lƣu (nhiễu loạn) làm giảm gradient để đoạn nhiệt xuống khoảng γ = 0,650/100m Trong khí thực, cân xạ không phụ thuộc vào H2O CO2 mà cịn hấp thụ xạ sóng ngắn Ozon (thay đổi nhiều tăng từ xích đạo đến cực) CO2 tầng bình lƣu làm tăng nhiệt độ bình lƣu lên khoảng 200 Nhƣng Ozon cịn làm tăng nhiệt độ (phổ hấp thụ xạ tử ngoại) lên 900 độ cao 100mbar (gần 16km) 8382 Giáo trình Vật lý khí 4.4 Biến trình hàng ngày hàng năm nhiệt độ bề mặt 4.4.1 Khái niệm Sự biến thiên liên tục nhiệt độ (hoặc đại lƣợng khí tƣợng) ngày đêm gọi biến trình hàng ngày nhiệt độ (hoặc đại lƣợng khí tƣợng đó) Biến trình hàng ngày nhiệt độ mặt đất dao động tuần hồn có cực đại cực tiểu ngày đêm Cực tiểu xảy vào lúc mặt trời mọc, cực đại quan sát thấy vào khoảng 13 Biên độ dao động A hiệu nhiệt độ lớn nhiệt độ nhỏ ngày đêm A = tcđ - tct Những biên độ hàng ngày nhiệt độ mặt đất lớn Về mùa hạ chúng thƣờng vƣợt 20oC lên tới 40oC Ban ngày đa số trƣờng hợp nhiệt độ đất nóng nhiệt độ khơng khí cịn ban đêm ngƣợc lại  Biên độ dao động đất lớn khơng khí Độ chênh lệch đặc biệt lớn nhiệt độ đất khơng khí xảy ban ngày vào mùa hạ, mặt đất nóng lên nhiều dƣới ảnh hƣởng xạ mặt trời Nhiệt độ trung bình hàng ngày đêm nhƣ mức nhiệt độ trung bình mà ngày đêm nhiệt độ lệch phía hay phía mức T = (S - R - E*  L  V  B) / C (4.38) 4.4.2 Sự biến thiên nhiệt độ Biểu thức (4.38) chứng tỏ độ biến thiên nhiệt độ phụ thuộc vào: - Độ lớn xạ thu-chi, tức phụ thuộc vào độ chiếu sáng S xạ E*, đại lƣợng phụ thuộc nhiều vào trạng thái bầu trời (quang mây, đầy mây); 8384 Giáo trình Vật lý khí - Các tính chất đất: Khả phản xạ mà R phụ thuộc vào khả này; nhiệt dung c; độ dẫn nhiệt quy định đại lƣợng B - Những trình bốc ngƣng kết (V) - Độ lớn trao đổi nhiệt với khơng khí (L) Ngồi cịn bị ảnh hƣởng của: - Hƣớng sƣờn mặt đất (quay phƣơng Nam, phƣơng Bắc ) mà độ chiếu sáng phụ thuộc vào hƣớng - Lớp phủ tự nhiên mặt đất làm thay đổi xạ thu đƣợc nhƣ thành phần khác cân nhiệt Biểu thức (4.38) cho thấy biến trình hàng ngày đƣợc quy định cân nhiệt tổng quát riêng lƣợng xạ thu chi S - R - E*, đại lƣợng giữ vai trị Ví dụ độ chiếu nắng S nhỏ xạ hiệu dụng E* buổi chiều sau 1,5 - trƣớc lúc mặt trời lặn, nhiên nhiệt độ mặt đất từ 13 bắt đầu giảm ban ngày xuất hao hụt nhiệt B, V L, đại lƣợng với xạ E* sau 13 bắt đầu vƣợt qua độ chiếu sáng S Vào buổi sáng vậy, khoảng - 1,5 sau lúc mặt trời mọc, độ chiếu nắng S nhỏ xạ, nhiên nhiệt độ đất bắt đầu tăng từ lúc mặt trời mọc Vì vào ban đêm sáng sớm thông lƣợng nhiệt B L hƣớng phía mặt đất, vào lúc mặt trời mọc, lƣợng nhiệt thu B + L hầu nhƣ bù lại hồn tồn lƣợng nhiệt chi E*, q trình kéo dài thời gian sau mặt trời mọc Nhƣng mặt trời lên dần xuất thêm nguồn nhiệt xạ mặt trời làm cho cân nhiệt tổng quát thành dƣơng nhiệt độ bắt đầu tăng 4.4.3 Một số nhân tố ảnh hưởng đến biến trình ngày nhiệt độ mặt đất - Trời quang: Độ chiếu nắng lớn ban ngày xạ mạnh ban đêm, nhiệt độ ban ngày tăng nhiều ban đêm hạ xuống thấp, biên độ lớn 8584 Giáo trình Vật lý khí - Trời đầy mây: Ban ngày mặt trời khơng trực tiếp hun nóng, có xạ khuyếch tán tác động, xạ ban đêm yếu nhiều, đất lạnh ít, dao động nhiệt có biên độ nhỏ - Khả hấp thụ đất: Chủ yếu ảnh hƣởng đến cực đại ban ngày nhiệt độ - Nhiệt dung đất: Nhiệt dung đất lớn đất nóng lên vào ban ngày lạnh vào ban đêm, biên độ dao động nhiệt độ nhỏ (nhiệt dung đất phụ thuộc vào độ ẩm chúng) - Độ dẫn nhiệt: Sẽ ảnh hƣởng đến chế độ nhiệt mặt đất theo cách nhƣ nhiệt dung Nghĩa là, độ dẫn nhiệt lớn tăng nhiệt độ ban ngày giảm nhiệt độ ban đêm nhỏ, dao động nhiệt độ nhỏ (Độ dẫn nhiệt phụ thuộc vào độ xốp độ ẩm đất: Đất xốp độ dẫn nhiệt nhỏ Khi khơng khí bị thay nƣớc (độ ẩm đất cao) độ dẫn nhiệt đất tăng lên rõ rệt) dung - Độ ẩm đất: Độ ẩm ảnh hƣởng đến dộ dẫn nhiệt nhiệt - Hƣớng sƣờn đồi núi: Những cực đại nhiệt độ đƣợc quan sát thấy sƣờn phía Nam, dịch phía Tây, sƣờn phía Đơng đƣợc hun nóng vào buổi sáng nhiệt độ khơng khí thấp, đồng thời thời gian (cần) nhiệt lƣợng dùng để làm sƣơng bốc Các sƣờn phía Tây đƣợc hun nóng vào q trƣa khơng khí có nhiệt độ cao đất khơ Lớp cối phủ có tác dụng làm dịu dao động nhiệt độ mặt đất ngồi bảo vệ đất khỏi xạ mạnh (bức xạ mặt đất yếu đi) Về mùa hạ, ban ngày đất trụi nóng 10% so với đất có nhiều cối che phủ Trung bình ngày đêm đất trụi nóng lớp mặt chừng khoảng 6oC 4.4.4 Sự biến thiên nhiệt độ (yếu tố khí tượng) năm Sự biến thiên nhiệt độ (yếu tố khí tƣợng) năm gọi biến trình năm Đơn giản theo dõi biến trình hàng năm theo nhiệt độ trung bình hàng tháng 8586 Giáo trình Vật lý khí Trong biến trình năm, cực đại nhiệt độ đất thƣờng xảy vào tháng bảy cịn cực tiểu quan sát thấy vào tháng giêng Độ chênh lệch nhiệt độ trung bình hàng tháng lớn nhỏ gọi biên độ hàng năm 4.4.5 Nhiệt độ bề mặt vùng chứa nước Sự khác nhiệt độ đất nhiệt độ nƣớc lan truyền nhiệt đất nƣớc Trong đất nhiệt lan truyền chậm cách dẫn nhiệt phân tử, nƣớc truyền nhiệt cách trao đổi loạn lƣu diễn mạnh nghìn lần Do nóng lên ban ngày nhƣ lạnh ban đêm mặt nƣớc nhỏ mặt đất nhƣ biên độ dao động hàng ngày hàng năm nƣớc nhỏ Cực đại nhiệt độ mặt nƣớc xuất muộn so với đất, vào 15 - 16 giờ, cực tiểu sau lúc mặt trời mọc thời gian Dao động ngày nhiệt độ mặt nƣớc xâm nhập sâu xuống nƣớc tới độ sâu vào khoảng 20 m Trong biến trình năm, cực đại nhiệt độ bề mặt đại dƣơng thƣờng vào tháng 8, cực tiểu vào tháng - Biên độ dao động hàng năm nhƣ ban ngày bề mặt nƣớc nhỏ so với mặt đất 4.5 Sự lan truyền nhiệt xuống lớp đất sâu nƣớc 4.5.1 Sự lan truyền nhiệt Sự lan truyền nhiệt đất cách dẫn nhiệt có khác nhiệt độ lớp đất lân cận Đại lƣợng đặc trƣng cho biến thiên nhiệt độ đất theo độ sâu gradient nhiệt thẳng đứng: a = - dT/dz [độ/cm] 8786 (4.39) Giáo trình Vật lý khí Là độ giảm nhiệt độ đất đơn vị độ sâu Độ lớn gradient cho phép nhận định tốc độ giảm nhiệt độ đất theo độ sâu Gradient nhiệt độ thẳng đứng nguyên nhân làm cho nhiệt di chuyển đất Giả sử Q lƣợng nhiệt truyền đơn vị thời gian (giây) qua thiết diện ngang 1cm 2, gọi thông lƣợng nhiệt, tỷ lệ với gradient nhiệt độ: Q = a = - dT/dz (4.40) Ở  hệ số dẫn nhiệt đất Hình 4.3 Giả sử cột đất thẳng đứng có thiết diện 1cm2, bên cột đƣợc tách độ sâu z (Hình 4.3) thể tích nhỏ ABCD có chiều cao dz (thể tích dz = dz); T nhiệt độ độ sâu Z (mực AB) Nhiệt độ mực CD (với gradient a) là: T + (dT/dz)dz = T - adz (4.41) Thông lƣợng nhiệt Q1 từ vào thể tích ABCD là: Q1 = - (dT/dz) theo (4.40) Thông lƣợng nhiệt từ ABCD tiếp qua đáy CD là: Q2 = - d(T + (dT/dz)dz)/dz = - (dT/dz + (d2T/dz2)dz) (4.42) 8788 Giáo trình Vật lý khí Nhƣ vậy, lƣợng nhiệt tích tụ lại đơn vị thời gian ABCD là: q = Q1 - Q2 = (d2T/dz2)dz (4.43) Lƣợng nhiệt làm cho nhiệt độ đất tăng lên đơn vị thời gian dt đƣợc dT/dt Cho nên, c nhiệt dung riêng đất,  mật độ lƣợng nhiệt q dồn tới hình trụ ABCD đƣợc biểu diễn theo cách sau: q = c1dz(dT/dt) (4.44) c = [calo/cm3độ]; q = [calo/g];  = [g/cm3] Từ (4.43) (4.44) ta đƣợc: dT/dt = [/(c)]d2T/dz2 dT/dt = k(d2T/dz2) (4.45) Ở đây: k = /(c) gọi hệ số dẫn nhiệt độ 4.5.2 Các quy luật lan truyền nhiệt độ Một số quy luật lan truyền nhiệt độ đất: - Chu kỳ dao động nhiệt độ giữ nguyên không đổi tất độ sâu - Biên độ dao động nhiệt độ giảm theo độ sâu theo quy luật: Az = A0exp(-z(/k)1/2) (4.46) Trong đó: A0 biên độ dao động nhiệt độ mặt đất; Az biên độ độ sâu z;  chu kỳ dao động nhiệt độ (1 ngày - đêm năm) tính giây; k hệ số dẫn nhiệt độ đất tỷ số hệ số dẫn nhiệt với nhiệt dung thể tích (k = /(c)) Nhìn chung dao động ngày - đêm nhiệt độ xâm nhập tới độ sâu 1m, dao động hàng năm tới 15 - 30 m Thời gian xuất cực đại cực tiểu nhiệt độ bị chậm lại theo độ sâu Độ chậm  tỉ lệ với độ sâu:  = (z/2)(/k)1/2 8988 (4.47) Giáo trình Vật lý khí Cực đại cực tiểu độ sâu 10 cm bị chậm khoảng 2,5 3,5 Còn cực đại, cực tiểu hàng năm chậm khoảng 20 - 30 ngày độ sâu 1m Những độ sâu có nhiệt hàng ngày hàng năm khơng đổi tỷ lệ với nhƣ số bậc hai chu kỳ dao động Ví dụ: Z1 độ sâu tắt dao động ngày đêm, Z2 năm; từ (4.46), với chu kỳ dao động ngày 1, năm 2 ta có đẳng thức độ sâu tắt dần là: e  Z1  K1 e Z2   K  Z1    Z2 K1 K  Z1 1    Z2 2 365 19,1 (4.48) Nhiệt độ độ sâu sâu 20m vỏ trái đất hầu nhƣ không thay đổi theo thời gian, nhƣng tăng lên theo độ sâu với bậc địa nhiệt (10/30-35m) Sự biến thiên nhiệt độ theo độ sâu vỏ trái đất đƣợc đặc trƣng gradient địa nhiệt (trung bình khoảng 0,03 độ/m 3,3 độ/100m) Do nhiệt độ dƣới đƣờng hầm, giếng mỏ có nhiệt độ cao (ở độ sâu 4000 mét có nhiệt độ lên tới 1200C 4.5.3 Sự lan truyền nhiệt nước Trong trình xáo trộn nƣớc, khối nƣớc nhỏ liên tục di chuyển theo chiều thẳng đứng trữ lƣợng nhiệt chứa khối nƣớc đƣợc chuyển Những chuyển động thẳng đứng khối nƣớc thƣờng hay nguyên nhân nhiệt gây Ví dụ, lớp nƣớc mặt bị lạnh xạ vào ban đêm làm tăng mật độ nƣớc lớp bắt đầu hạ xuống dƣới có hạt nóng hơn, nhẹ từ dƣới lên thay Những chuyển động thẳng đứng nhƣ chất nƣớc gây thay đổi mật độ chất khối nƣớc riêng biệt từ nóng lên lạnh gọi đối lƣu nhiệt Nƣớc có tỷ trọng lớn nhiệt độ + 40C, vùng chứa nƣớc có nhiệt thấp 40C chuyển động đối 8990 Giáo trình Vật lý khí lƣu xuất khơng phải nƣớc lạnh (dƣới 40C) mà nƣớc ấm lên (trên 40C) vào ban ngày Những chuyển dịch thẳng đứng khối nƣớc xảy trƣờng hợp toàn khối nƣớc chuyển động nhƣ chảy theo phƣơng ngang Những chuyển dịch thẳng đứng nhƣ hạt nƣớc đƣợc gây loạn lƣu động lực (sự cuộn xốy) dịng Có hai loại dòng chảy chất nƣớc: - Dòng chảy theo lát: Tất hạt nƣớc dòng chảy di chuyển song song với (tốc độ dòng chảy nhỏ) - Dòng chảy loạn lƣu: Khi tốc độ dòng chảy đạt tới giá trị tới hạn tính chất chuyển động chất nƣớc thay đổi tức khắc Bên dòng chảy xuất xoáy nhỏ, chuyển dịch theo tất hƣớng khác (có chuyển động theo phƣơng đứng, số hạt lên, số khác xuống) loại dòng chảy nhƣ đƣợc gọi dòng chảy loạn lƣu - Mọi chuyển dịch thẳng đứng hạt có hệ xáo trộn, tức trao đổi khối lƣợng hai lớp lân cận (trong điều kiện tự nhiên dòng nƣớc chảy dịng khơng khí chảy mang tính chất loạn lƣu) Giả sử bên lịng nƣớc di chuyển theo chiều mũi tên có mặt nằm ngang (MN) phân chia lớp lân cận I II, lớp nằm dƣới lớp (Hình 4.4) II        M ––– I N       Hình 4.4 : Chuyển động toàn khối nƣớc Nhờ loạn lƣu nên lớp nƣớc I II liên tục trao đổi với phần khối lƣợng chúng (dƣới lên, xuống thời gian giây) Loạn lƣu lớn trao đổi linh hoạt Nếu khối nƣớc đồng (các lớp có tính chất nhƣ độ 9190 Giáo trình Vật lý khí mặn, trữ lƣợng nhiệt, lƣợng chất cặn lơ lửng) thay đổi khối lƣợng khơng làm thay đổi Nếu có khơng đồng (ví dụ phƣơng diện nhiệt thơng qua gradiend nhiệt độ thẳng đứng) trao đổi khối lƣợng xuất thông lƣợng nhiệt thẳng đứng bên chất nƣớc hƣớng phía nhiệt độ giảm Trong trao đổi khối lƣợng, hạt từ lớp nóng xuyên vào lớp lân cận lạnh làm nóng dần lên, lớp nóng bị lạnh có hạt lạnh từ lớp khác rơi vào Kết nhiệt di chuyển phía lớp lạnh Độ lớn thông lƣợng nhiệt thẳng đứng tức lƣợng nhiệt truyền đơn vị thời gian (giây) qua đơn vị bề mặt (cm2) theo phƣơng thẳng đứng lƣợng chứa nhiệt (-dq/dz) Tức là: Q(calo/ cm2giây) = - A (dq/dz) (4.49) Ở q đƣợc hiểu trữ lƣợng nhiệt (thƣớc đo cƣờng độ) [cal/g] A hệ số trao đổi [g/cm.s] Đại lƣợng biểu thị xáo trộn thông qua thông lƣợng thẳng đứng đƣợc viết cách tổng quát là: S = -A (ds/dz) (4.50) Trong đó: s: Là lƣợng chứa chất tính chất đơn vị khối lƣợng S: Là thơng lƣợng thẳng đứng chất qua đơn vị bề mặt đơn vị thời gian Đối với dẫn nhiệt phân tử: Q1 = - (dT/dz) Loạn lƣu: Thông lƣợng nhiệt: Q2 = -A (dq/dz) Q2 = -AC (dT/dz) hoặc: Q3 = -J (dT/dz) Thông lƣợng xạ: 9192 Giáo trình Vật lý khí J: Là hệ số dẫn nhiệt xạ Tổng quát: Q  k Theo (4.49), với q = cT dT dz (4.51) thì: dq/dz = c (dT/dz) Q = -Ac (dT/dz) (4.52) Công thức (4.52) biểu thị thông lƣợng nhiệt phụ thuộc vào gradient nhiệt dộ, tƣơng tự công thức biểu thị thông lƣợng nhiệt dẫn nhiệt phân tử (Q = - (dT/dz)) Ac (cũng giữ vai trò nhƣ đại lƣợng ) gọi hệ số dẫn nhiệt loạn lƣu; A= 10, c = (đối với nƣớc)  = 0,00125, hệ số dẫn nhiệt phân tử nƣớc Do truyền nhiệt nƣớc trình loạn lƣu mạnh gấp nghìn lần truyền nhiệt cách dẫn nhiệt phân tử Tƣơng tự lý thuyết dẫn nhiệt : nhiệt (dT/dt) = K (d2T/dz2) (theo 4.45) với K = (/cρ) hệ số dẫn Đối với lan truyền nhiệt cách trao đổi ta có: (dT/dt) = Ka (d2T/dz2) lƣu (4.53) Ka = (Ac/ cρ) = (A/ρ) Có thể gọi hệ số dẫn nhiệt độ loạn Độ sâu xâm nhập tới dao động nhiệt độ nƣớc (theo 4.46) độ tắt dao động: e Z  K 9392 Giáo trình Vật lý khí Hãy tính xem độ sâu độ tắt dao động nhiệt độ đất nƣớc Đối với độ sâu đất Zđ nƣớc Zn ta có: e Zđ   K1 Zn  Zđ e Zn  K a ka (4.54) k Đối với đất hệ số dẫn nhiệt độ k  0,01 nƣớc hệ số dẫn nhiệt loạn lƣu là: Ka = (A/ρ) = 110, trung bình Ka = 5, thay vào (4.54) ta đƣợc:  Zn   22 Zđ 0,01 (4.55) Nhƣ dao động nhiệt độ nƣớc xâm nhập xuống sâu gấp chừng 20 lần đất 9394 ... 980cm/s2 1mmHg cột thuỷ ngân (d)  VρHgg = (0,1cm3)  (13 ,59g/cm3)  (980,6cm/s2) 13 12 (2 .1) Giáo trình Vật lý khí = 13 33 cm g cmg =13 33 = 13 33đyn; s cm s cm.g m 10 0 gx1000cm  (1? ?yn 1? ?? ;1N 0 ,1? ?? kgx10... cảm ơn TÁC GIẢ 11 Giáo trình Vật lý khí CHƢƠNG I: THÀNH PHẦN VÀ CẦU TRÚC KHÍ QUYỂN 1. 1 Thành phần khí + Thành phần khí phụ thuộc vào nhóm chất tồn khí quyển, là: - Các nhóm chất khí nhƣ: Nitơ... Mê tan Kr H2 Kripton Hydro 1, 8x10-3 1, 2 -1. 5x10-4 1, 4x10-4 5x10-5 20,2 32 16 83,8 N2O 2-Ôxit Nitơ 3,5x10-3 44 Giáo trình Vật lý khí - Nitơ N2 chiếm 78,08% thể tích trơ (khí trơ) hầu nhƣ không tham