Chuong 2: Không khí và khí quyển

Không khí trong t ầ ng ion loãng vô cùng.[r]

Khí hậu khí tượng đại cương

NXB Đại học quốc gia Hà Nội 2007 Tr 15 – 42

Từ khố: Khơng khí, khí quyển, trạng thái khí quyển, thành phần khơng khí khí quyển

Tài liệu Thư viện điện tử ĐH Khoa học Tự nhiên có thểđược sử dụng cho mục đích học tập nghiên cứu cá nhân Nghiêm cấm mọi hình thức chép, in ấn phục vụ mục đích khác nếu khơng được sự chấp thuận của nhà xuất bản tác giả

Mục lục

Chương KHÔNG KHÍ VÀ KHÍ QUYỂN

2.1 THÀNH PHẦN KHƠNG KHÍ KHÍ QUYỂN Ở MẶT ĐẤT VÀ TRÊN CAO

2.1.1 Thành phần khơng khí khơ mặt đất

2.1.2 Hơi nước khơng khí

2.1.3 Sự biến đổi thành phần khơng khí theo chiều cao

2.1.4 Sự phân bố ôzôn theo chiều cao

2.2 CÁC ĐẶC TRƯNG CƠ BẢN CỦA TRẠNG THÁI KHÍ QUYỂN

2.2.1 Phương trình trạng thái chất khí

2.2.2 Khí áp

2.2.3 Nhiệt độ khơng khí

2.2.4 Mật độ khơng khí 10

2.2.5 Phương trình tĩnh học khí 12

2.2.6 Ứng dụng cơng thức khí áp 15

2.2.7 Bậc khí áp 16

2.3 ĐỊNH LUẬT BIẾN ĐỔI ĐOẠN NHIỆT CỦA NHIỆT ĐỘ KHƠNG KHÍ 17

2.3.1 Sự biến đổi đoạn nhiệt khô nhiệt độ chuyển động thẳng đứng 19

2.3.2 Sự biến đổi đoạn nhiệt ẩm nhiệt độ 20

2.3.3 Quá trình đoạn nhiệt giả 21

Chương 2. Khơng khí khí quyển

2.3.4 Nhiệt độ vị 22

2.3.5 Sự phân bố thẳng đứng nhiệt độ 22

2.4 GIA TỐC ĐỐI LƯU 23

2.5 TRAO ĐỔI RỐI 25

2.6 CÁC TẦNG KHÍ QUYỂN 26

2.6.1 Tầng đối lưu 27

2.6.2 Tầng bình lưu tầng khí 28

2.6.3 Tầng ion 28

2.6.4 Tầng khí 30

Chương 2

KHƠNG KHÍ VÀ KHÍ QUYỂN

2.1 THÀNH PHẦN KHƠNG KHÍ KHÍ QUYỂN Ở MẶT ĐẤT VÀ

TRÊN CAO

2.1.1 Thành phần không khí khơ ở mặt đất

Khí cấu tạo hỗn hợp số loại khí gọi khơng khí Ngồi ra, khí cịn có loại chất lỏng chất rắn trạng thái lơ lửng Khối lượng hạt nhỏ so với tồn khối lượng khí Ở mặt đất, khơng khí khí thường khơng khí ẩm Điều có nghĩa thành phần ngồi loại khí khác cịn có nước trạng thái Khác với thành phần khơng khí khác, lượng nước khơng khí biến đổi lớn Ở mặt đất biến đổi từ vài phần vạn đến vài phần trăm (khối lượng khơng khí) Điều điều kiện khí quyển, nước chuyển sang trạng thái rắn hay lỏng, ngược lại thâm nhập vào khí q trình bốc từ mặt đất mặt biển Khơng khí khơng chứa nước hay chưa bão hoà nước gọi khơng khí khơ

Ở mặt đất 99% thể tích khơng khí khơ nitơ oxy (76% theo thể tích 70% theo khối lượng) Trong thành phần khơng khí mặt đất, hai loại khí tồn dạng phân tử hai nguyên tử (N2 O2), Acgơn (Ar) chiếm hết 1% cịn lại khơng khí khơ

Chỉ có 0,03% thể tích khơng khí khơ khí cacbonic (CO2) Nhiều loại khí khác thành phần khơng khí khơ chiếm khoảng vài phần chục vạn thể tích chung hay

Đó khí Kripton (Kr), Xênon (Xe), Neon (Ne), Heli (He), Hydro (H), Ơzơn (O3), Iot (I), Radon (Rn), Metan (CH4), Amoniac (NH3), nước oxy già (H2O2), Oxit nitơ (N2O) v.v (Hình 2.1)

Tất khí kể điều kiện nhiệt độ khí áp khí ln trạng thái mặt đất nhưở tầng cao Thành phần phần trăm khơng khí khơ mặt đất

ổn định thực tế không đổi nơi Chỉ có lượng khí cacbonic biến đổi cách

đáng kể Do trình thở đốt cháy, lượng khí cacbonic khơng khí nơi thống khí nhưở trung tâm cơng nghiệp tăng lên vài lần (đến 0,1 – 0,2%)

2.1.2 Hơi nước khơng khí

Lượng phần trăm nước khơng khí ẩm mặt đất trung bình khoảng từ 0,2%

ở miền cực đến 2,5% miền xích đạo, số trường hợp, lượng biến thiên gần

không đến 4% Do đó, lượng phần trăm loại khí khác khơng khí khơ biến

đổi Lượng nước khơng khí lớn phần thể tích khơng khí loại khí điều kiện khí áp nhiệt độ nhỏ Hơi nước thường xun thâm nhập vào khí q trình bốc từ mặt nước, từ thổ nhưỡng ẩm trình bốc thực vật Vì vậy, lượng nước thâm nhập vào khí nơi thời gian khác khác Từ mặt đất, nước lan truyền lên cao khơng khí vận chuyển từ nơi đến nơi khác Trong khí xuất trạng thái bão hồ Ở

trạng thái nước chứa khơng khí với lượng tới hạn nhiệt độ định Hơi nước gọi nước bão hồ, cịn khơng khí chứa gọi khơng khí bão hồ

Khơng khí thường đạt tới trạng thái bão hồ nhiệt độ giảm Sau đạt tới trạng thái bão hoà nhiệt độ khơng khí tiếp tục giảm phần nước thừa bắt

đầu ngưng tụ, chuyển sang trạng thái rắn hay lỏng Trong khơng khí xuất giọt nước hạt băng cấu tạo nên mây sương mù Mây lại bốc hơi, song có trường hợp giọt nước hạt băng mây lớn lên, chúng rơi xuống đất dạng giáng thủy Do đó, lượng nước phần khí thường xuyên biến đổi

Những trình hình thành thời tiết đặc điểm khí hậu quan trọng thường liên quan với nước biến đổi sang trạng thái lỏng rắn

Sự tồn nước khí có ảnh hưởng lớn đến điều kiện nhiệt khí mặt đất Hơi nước hấp thụ mạnh xạ sóng dài (bức xạ hồng ngoại) phát từ

mặt đất

Bản thân nước phát xạ hồng ngoại, phần lớn xạ tới mặt đất làm giảm lạnh ban đêm mặt đất làm giảm lạnh ban đầu lớp khơng khí Q trình bốc từ mặt đất cung cấp lượng nhiệt lớn, nước ngưng kết khí lượng nhiệt lại toả đốt nóng khơng khí

Mây xuất trình ngưng kết, phản xạ hấp thụ xạ mặt trời đường

đi đến Trái Đất Giáng thủy rơi từ mây yếu tố quan trọng thời tiết khí hậu Tất nhiên, tồn nước khí có ý nghĩa quan trọng trình sinh trưởng thực vật

Người ta gọi lượng nước chứa khơng khí độẩm khơng khí Những đặc trưng chủ yếu độ ẩm sức trương nước độ ẩm tương đối Cũng chất khí, nước có sức trương (áp suất riêng nước) Sức trương nước e tỉ lệ thuận với mật độ

Hình 2.1

Thành phần khơng khí khơ mặt đất (% theo thể tích)

Nếu khơng khí chứa nước lượng cần để bão hồ nhiệt độ định, ta lượng tính mức độ gần tới trạng thái bão hồ

Để xác định mức độ gần tới bão hồ này, người ta tính độẩm tương đối Độẩm tương đối r tỷ số biểu diễn phần trăm sức trương nước thực tế e chứa khơng khí sức trương nước bão hồ E nhiệt độ:

r = e

E100% (2.1) Chẳng hạn với nhiệt độ 20°C, sức trương bão hồ 23,4 mb Nếu sức trương thực tế nước khơng khí 11,7 mb, độ ẩm tương đối khơng khí là: (11,7: 23,4).100% = 50%

Đối với trạng thái bão hoà nước, độẩm tương đối 100%

Sức trương nước mặt đất biến đổi giới hạn từ vài phần trăm miliba (dưới nhiệt

độ thấp vào mùa đông Châu Nam Cực Iacutchi) đến 35 mb hay (ở xích đạo) Khơng khí nóng chứa nhiều nước mà chưa đạt tới trạng thái bão hoà, nghĩa sức trương nước lớn

2.1.3 Sự biến đổi của thành phần khơng khí theo chiều cao

Lượng phần trăm thành phần không khí khơ tầng vài chục km (đến khoảng 100 – 120 km) không biến đổi theo chiều cao Khơng khí khí ln ln trạng thái chuyển động, xáo trộn theo chiều thẳng đứng, chất khí cấu tạo nên khí không chia thành lớp theo mật độ điều kiện khí n tĩnh (ởđó, thành phần chất khí nhẹ hơn, tăng theo chiều cao) Song từđộ cao 100km, tính phân lớp loại khí theo mật độ bắt đầu xuất theo chiều cao biểu rõ Đến độ

cao chừng 200km, nitơ chất khí chiếm ưu khí Ởđây, ơxy trạng thái ngun tử, tác động xạ cực tím mặt trời, phân tử hai ngun tử phân hố thành nguyên tử tích điện

Cao 100km, khí chủ yếu cấu tạo heli hydro, hydro

trạng thái nguyên tử, dạng nguyên tử tích điện chiếm ưu

Lượng phần trăm nước chứa khơng khí biến đổi theo chiều cao Hơi nước thâm nhập vào khí từ phía Khi lan truyền lên cao, ngưng kết tụ lại Vì vậy, sức trương mật độ nước giảm theo chiều cao nhanh sức trương mật độ

của loại khí khác Mật độ chung khơng khí ởđộ cao 5km nhỏ mặt đất hai lần, cịn mật độ nước trung bình giảm hai lần ởđộ cao 1,5 km khí tự ởđộ

cao km vùng núi Vì vậy, lượng phần trăm nước chứa không khí giảm theo chiều cao Ởđộ cao km, sức trương nước, tức lượng nước chứa khơng khí nhỏ mặt đất 10 lần, ởđộ cao km nhỏ 100 lần Như vậy, từđộ cao 10 – 15 km, lượng nước chứa khơng khí vơ nhỏ

2.1.4 Sự phân bố của ôzôn theo chiều cao

Sự biến đổi lượng ơzơn khơng khí theo chiều cao đáng ý Ở gần mặt đất, lượng ôzôn không đáng kể Theo chiều cao, lượng ôzôn lớn dần không lượng phần trăm mà giá trị tuyệt đối Lượng ôzôn cực đại thường quan trắc ởđộ cao 25 – 30 km;

ở cao nữa, lượng ôzôn giảm ởđộ cao khoảng 60km, khơng cịn ơzơn

Q trình tạo thành ơzơn xảy ơzơn hấp thụ xạ cực tím mặt trời Phân tử hai nguyên tử ôxy phần phân hoá thành nguyên tử, nguyên tử kết hợp với phân tử

chưa phân hoá tạo nên phân tử ôxy ba nguyên tử Đồng thời khí xảy q trình ngược lại biến ôzôn thành oxy

Do trình xáo trộn khơng khí, ơzơn vận chuyển từ tầng cao xuống tầng thấp 15km

Sự tăng lượng ôzôn theo chiều cao thực tế không ảnh hưởng đến thành phần oxy nitơ, so với chúng, lượng ôzôn, cảở tầng cao nhỏ Nếu tập trung

đến 0,29 micron (1 micron phần nghìn milimet) Bức xạ gây tác động có hại cho sống, hấp thụ xạ cực tím, ôzôn bảo vệ thể sống mặt đất

2.2 CÁC ĐẶC TRƯNG CƠ BẢN CỦA TRẠNG THÁI KHÍ QUYỂN

2.2.1 Phương trình trạng thái của chất khí

Những đặc trưng (những thông số) trạng thái vật lý chất khí áp suất, nhiệt độ mật độ Ba đặc trưng khơng phụ thuộc vào Chất khí nén nên mật độ biến đổi lớn Sự biến đổi phụ thuộc vào áp suất nhiệt độ Phương trình trạng thái chất khí lý tưởng vật lý học biểu diễn mối liên quan áp suất, nhiệt độ mật độ Phương trình viết sau:

pv = RT (2.2)

ởđây:

p: áp suất

v: thể tích riêng chất khí T: nhiệt độ tuyệt đối

R: số chất khí, phụ thuộc chất chất khí

Phương trình trạng thái chất khí viết sau: p = ρRT hay ρ =

RT

p (2.3) ởđây: ρ – mật độ chất khí đại lượng nghịch đảo thể tích riêng v

Phương trình trạng thái chất khí áp dụng gần khơng khí khơ, nước khơng khí ẩm Trong trường hợp có đại lượng số R riêng tương ứng

Đối với khơng khí ẩm R biến đổi phụ thuộc vào sức trương nước chứa không khí

Ta xét đặc trưng trạng thái kể khơng khí

2.2.2 Khí áp

Thể tích mà lấy nhỏ tuỳ ý cuối nhỏ dần tới điểm Như vậy, điểm khí có đại lượng áp suất khí (gọi tắt khí áp) định Khơng khí phịng kín điều hồ áp suất với khơng khí bên ngồi cách dễ dàng qua lỗ khe hở tường, cửa sổ Sự chênh lệch khí áp phịng kín với khí áp ngồi trời (cùng mực – độ cao) thông thường nhỏ Khơng khí phịng bị nén mức độ khơng khí ngồi trời mực Vì vậy, trạm khí tượng khí áp biểu diễn khơng cần để ngồi trời, người ta thường đặt phịng Ta biểu diễn khí áp gam hay kg trọng lượng diện tích 1cm2 hay 1m2 Trên mặt biển khí áp gần 1kg/1cm2 Song khí tượng học, người ta biểu diễn khí áp đơn vị khác Từ lâu, người ta quy ước biểu diễn khí áp mm chiều cao cột thuỷ ngân Điều có nghĩa người ta so sánh áp suất khí với áp lực cột thuỷ ngân tương đương với Chẳng hạn, người ta nói khí áp gần mặt đất nơi 750 mmHg, có nghĩa khơng khí nén lên mặt đất lực lực nén cột thuỷ ngân cao 750mmHg Việc biểu diễn khí áp đo mmHg khí tượng học ngẫu nhiên Điều liên quan tới cấu tạo dụng cụ đểđo khí áp – khí áp biểu thuỷ ngân kiểu Torisely Dụng cụ nói giáo trình vật lý sở Trong khí áp biểu áp suất khơng khí cân với áp suất cột thủy ngân, theo biến đổi chiều cao cột thuỷ ngân ta suy biến

đổi khí áp

Một nguyên lý khác xác định khí áp vào biến dạng hộp kim khí rỗng,

đàn hồi có biến đổi áp lực từ bên Nguyên tắc áp dụng rộng rãi để chế tạo dụng cụđo khí áp

Trên mực biển, khí áp trung bình gần 760mmHg, trường hợp khí áp mặt biển biến đổi giới hạn 150 mmHg Khí áp giảm nhanh theo chiều cao

Hiện nay, người ta thường biểu diễn khí áp đơn vị tuyệt đối mb: 1mb áp lực 1000 din1 tác động lên một đơn vị diện tích 1cm2 Khí áp mặt biển trung bình 760 mmHg, gần 1013mb, cịn 750mmHg tương đương 1000mb

Như vậy, để chuyển đổi đại lượng khí áp đo mmHg sang mb ta cần nhân khí áp tính mmHg với 4/3

Mối liên quan hai đơn vị khí áp kể xác định sau:

Khối lượng cột thuỷ ngân cao 760mm với thiết diện 1cm2ở nhiệt độ 0°C tỷ trọng thuỷ ngân 13,595 1033,2 gam Ta tính trọng lượng biểu diễn din mà khối lượng có, nhân khối lượng với gia tốc trọng trường (g) mực biển vĩđộ 45° có giá trị 980,6 mm/s2

Từ đó, ta có khí áp 1cm2 bằng 1013,250 din Gọi mb áp lực bằng 1000 din/cm2, ta tìm được áp lực của cột thuỷ ngân cao 760 mm bằng 1013,2 mb với những giá trị gia tốc trọng trường nhiệt độ chuẩn kể Cịn khí áp 750 mmHg 1000mb

Gần người ta cịn dùng đơn vị khí áp hecto pascal (1hPa = 1mb)

2.2.3 Nhiệt độ khơng khí

Cũng vật thể, khơng khí có nhiệt độ khác với độ khơng tuyệt đối Nhiệt độ

khơng khí điểm khí thường xuyên biến đổi điểm nơi khác Trái Đất, nhiệt độ Ở mặt đất nhiệt độ khơng khí biến thiên lớn Những đại lượng cực trịđã quan trắc đến gần 60°C (ở sa mạc miền nhiệt đới) gần – 90°C (ở châu Nam Cực) Theo chiều cao, nhiệt độ khơng khí biến đổi, tầng khác trường hợp khác nhau, nhiệt độ biến đổi khác Tính trung bình, nhiệt độ giảm đến độ cao 10 – 15km; sau tăng đến 50 – 60km, sau lại giảm

Ở phần lớn nước, nhiệt độ khơng khí thổ nhưỡng nước biểu diễn độ theo bảng nhiệt độ quốc tế (Selsi: °C) quy định chung đo lường vật lý Điểm 0°C băng nhiệt độ băng tan, + 100°C nhiệt độ nước sôi (đều điều kiện khí áp chuẩn 1000mb, khí áp mực biển) Nhưng Mỹ nhiều nước khối liên hiệp Anh, đến sử dụng nhiệt độ Faranet đời sống

ngay khí tượng lý thuyết Trong bảng này, khoảng điểm tan băng điểm sôi nước chia làm 180°F ởđiểm tan băng, bảng ghi giá trị +32°F Như vậy, nhiệt độ

Faranet 5/9°C 0°C ứng với +32°F, cịn 100°C +212°F

Ngồi ra, khí tượng học lý thuyết, người ta cịn dùng bảng nhiệt độ tuyệt đối (bảng Kenvanh K) Không độ bảng tương ứng với ngừng hoàn toàn chuyển động nhiệt phân tử, nghĩa nhiệt độ thấp có Theo bảng Selsi đại lượng – 273,18 + 0,03°C Nhưng thực tế, người ta thường lấy độ không tuyệt đối – 273°C; độ chia bảng nhiệt độ tuyệt đối độ chia bảng Selsi Vì vậy, 0°C bảng Selsi tương ứng với +273°K bảng nhiệt độ tuyệt đối

Có thể so sánh ba thang nhiệt độ phân tử Selsi (oC), nhiệt độ Farenet (oF) nhiệt độ

tuyệt đối Kenvanh (K) (Hình 2.2)

Hình 2.2

Ba thang nhiệt độoC, oF K giá trị cực trị nhiệt độ Trái Đất (C.Donald Ahrens)

Từđây sau, ta biểu thị nhiệt độ theo bảng tuyệt đối chữ K nhiệt độ theo bảng Selsi chữ °C nhiệt độ Faranet chữ °F Trong công thức nhiệt độ

tuyệt đối biểu thị chữ T nhiệt độ theo bảng Selsi sẽđược biểu diễn chữ t

Để chuyển nhiệt độ theo bảng Faranet sang nhiệt độ theo bảng Selsi ta có cơng thức: C =

9(F – 32)

oC (2.5)

Để chuyển từ nhiệt độ theo bảng Selsi sang nhiệt độ tuyệt đối ta có cơng thức gần đúng: K=oC+273

2.2.4 Mật độ khơng khí

Mật độ khơng khí khí tượng khơng đo trực tiếp mà tính thơng qua giá trị nhiệt độ,

độẩm khí áp đo

Khi sử dụng phương trình trạng thái khơng khí khơ ta cần đưa vào trị số số chất khí khơng khí khơ (Rd=2,87.106 khí áp mật độ lấy

cho biết mật độ khơng khí khơ với nhiệt độ T, khí áp p sức trương nước e Ta

coi khơng khí ẩm hỗn hợp khơng khí nước

Nếu áp suất chung khơng khí p, áp suất khơng khí khơ p – e Như thành phần hỗn hợp, tức khơng khí khơ, phương trình trạng thái viết sau:

ρd =

T R e p d −

Đối với nước chứa hỗn hợp, phương trình trạng thái nước có dạng:

T R e T R e d w w 623 , = = ρ

ởđây, số nhân 0,623 tỷ lệ số chất khí khơng khí khơ (Rd) nước (Rw) Vì vậy, mật độ chung khơng khí ẩm tổng mật độ khơng khí khơ mật độ nước ρd + ρw nên phương trình trạng thái khơng khí ẩm cuối viết sau:

ρ' = ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − p e T R p d 377 ,

1 (2.6)

Đây cơng thức tính mật độ khơng khí ẩm Nên nhớ, ởđây Rd sốđối với

khơng khí khơ Do tỷ lệe/p nhỏ, nên với độ xác tương đối ta viết gần đúng:

ρ' = ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ + p e T R p

d 0,377

(2.7)

Gọi hàm nhiệt độ, khí áp sức trương nước T [(1+0,377(e/p)] nhiệt độảo Tv

Khi đó, ta viết:

ρ’ =

d v

p R T

nghĩa biểu thị mật độ khơng khí ẩm phương trình trạng thái khơng khí khơ phải thay nhiệt độ thực T nhiệt độảo Tv

Từđó ta phát biểu: “Nhiệt độ ảo Tv khơng khí ẩm nhiệt độ khơng khí

khơ cần có để mật độ mật độ khơng khí ẩm với nhiệt độ T, áp suất p sức trương nước e.” Nhiệt độảo lớn nhiệt độ thực khơng khí ẩm

Từ phương trình (2.7), ta thấy với giá trị khí áp nhiệt độ, mật độ khơng khí ẩm nhỏ mật độ khơng khí khơ Điều mật độ nước nhỏ mật

phân tử chất khí khơng đổi phần tử nước nhẹ với lượng tốc độ chuyển động cho nhiệt độ áp suất khơng đổi, mật độ khối khí nhận

được nhỏ mật độ không khí khơ Đó ý nghĩa phương trình (2.7) Tuy nhiên, khác biệt không lớn lắm, khoảng 3g/m3

Mật độ khơng khí nơi khơng ngừng biến đổi theo thời gian Ngồi ra, mật độ biến

đổi nhanh theo chiều cao, theo chiều cao khí áp nhiệt độ biến đổi

Theo chiều cao khí áp ln giảm, mật độ giảm theo Nhiệt độ theo chiều cao phần lớn giảm, tầng khí 10 – 15km Tuy nhiên, giảm nhiệt

độ thường kèm theo tăng mật độ

Do biến đổi chung khí áp nhiệt độ, mật độ theo chiều cao thường giảm khơng giảm nhiều khí áp

Nếu mật độ khơng khí khơng biến đổi theo chiều cao, tất tầng giữ

nguyên giá trị nhưở mặt đất khí có chiều cao 8000m để gây áp suất cột thuỷ ngân cao 760mm (1033g/cm3) Chiều cao vừa nêu (8000m) gọi chiều cao khí quyển

đồng Thực tế, mật độ khơng khí giảm theo chiều cao, khơng khí lên cao lỗng, chiều cao thực khí đạt tới gần 20000km nhưđã nêu

2.2.5 Phương trình tĩnh học cơ bản của khí quyển

Bây ta đặt câu hỏi: Theo chiều cao khí áp biến đổi theo định luật nào? Chẳng hạn, ta biết khí áp mực, khí áp mực cao hay thấp vào thời điểm bao nhiêu?

Để trả lời câu hỏi ta tìm phương trình xác định biến đổi khí áp theo chiều cao Ta lấy cột không khí thẳng đứng với thiết diện ngang đơn vị lấy cột khơng khí lớp mỏng vơ hạn, giới hạn phía mặt phẳng ởđộ cao z1, giới hạn phía mặt phẳng có độ cao z + dz, chiều dày lớp khơng khí dz (Hình 2.3)

Hình 2.3

Khơng khí hỗn hợp tác động lên mặt phẳng phía thể tích nguyên tố tách áp lực hướng từ lên trên, đại lượng lực tác động lên mặt phẳng xét với diện tích đơn vị, áp suất khơng khí p mặt phẳng Trên mặt phẳng phía thể tích đơn giản khơng khí hỗn hợp tác động áp lực hướng từ xuống

Đại lượng số lực này, p + dp áp suất giới hạn trên, có giá trị lớn hay nhỏ so với áp suất phía đại lượng vơ nhỏ dp Hơn nữa, ta trước dấu dương hay âm, nghĩa áp suất giới hạn lớn hay nhỏ áp suất giới hạn

Đối với áp lực tác động lên thành bên thể tích, ta giả thiết áp suất theo chiều nằm ngang khơng biến đổi Điều có nghĩa áp lực tác động lên phía thành bên cân với nhau; tổng hợp lực Từđó, ta thấy khơng khí theo chiều nằm ngang khơng có gia tốc khơng khí khơng di chuyển

Ngồi ra, khơng khí thể tích ngun tố chịu tác động trọng lực hướng xuống phía gia tốc trọng trường g, (gia tốc vật rơi tự do) nhân với khối lượng khơng khí thể tích đơn vị, thể tích ρdz, ởđây ρ mật độ khơng khí, trọng lực gρdz

Giả sử khí theo chiều thẳng đứng có cân bằng, có nghĩa thể tích khơng khí chọn khơng có gia tốc theo chiều thẳng đứng khối lượng

được giữ lại mực, có trọng lượng Điều có nghĩa trọng lực áp lực cân với Khí áp p+dp trọng lực gρdz hướng xuống dưới; ta viết với dấu âm Khí áp p hướng lên trên, ta viết với dấu dương Tổng toàn ba lực 0, ta có:

– gρdz – (p+dp) + p = 0 (2.8) hay dp = – gρdz. (2.9)

Từ đó, ta thấy dz dương, dp âm, nghĩa theo chiều cao khí áp giảm Trong hiệu áp suất giới hạn giới hạn thể tích nguyên tốđược xét trọng lượng khơng khí thể tích ngun tố

Phương trình (2.9) phương trình tĩnh học khí Phương trình vi phân biểu diễn biến đổi khí áp độ cao tăng lên đại lượng vơ nhỏ Hai phương trình tĩnh học cịn viết sau:

0 − =

− g

dz dp

ρ (2.10)

Đại lượng dp/dz giảm khí áp đơn vị số gia chiều cao, gọi gradien khí áp theo chiều thẳng đứng (gradien thẳng đứng khí áp)

Đó đại lượng cân với áp lực hướng từ phía từ phía lên đơn vị thể

Số hạng thứ hai trọng lực tác động lên đơn vị khối lượng hướng xuống Lực lực gradien khí áp hướng ngược lại Như phương trình tĩnh học biểu diễn điều kiện cân hai lực tác động lên đơn vị khối lượng khơng khí theo chiều thẳng đứng, cân lực gradien khí áp thẳng đứng trọng lực

Để tìm cơng thức biểu diễn biến đổi khí áp theo chiều cao ta tích phân phương trình (2.10) từđộ cao z1 với khí áp p1 đến giới hạn z2 với khí áp p2

Khi mật độ khơng khí đo trực tiếp được, ta biểu diễn qua nhiệt độ khí áp nhờ

phương trình trạng thái chất khí ρ=p/RT Thay giá trị ρ vào phương trình (2.10) ta có:

dz RT

pg

dp=− (2.11)

hay: dz RT g p dp −

= (2.12)

Lấy tích phân xác định cho hai vế phương trình (2.12) giới hạn từp1đến p2

từz1đến z2 Các đại lượng g R số, nên có thểđưa chúng ngồi dấu tích phân:

2

1

p z

p z

dp g dz p = −R T

∫ ∫ (2.13)

hay 2 ln ln z z g dz p p R T

− = − ∫ (2.14)

Nhiệt độT đại lượng biến thiên hàm chiều cao Tuy nhiên, đặc tính hàm trường hợp khác khác nói chung khơng thể biểu diễn chúng phương pháp toán học

Song ta xác định giá trị trung bình nhiệt độ Tm độ cao z1 z2 từ số

liệu quan trắc ta có thểđưa ngồi dấu tích phân Ta xác định Tm với độ gần tương đối sau đo nhiệt độ khơng khí ởđộ cao z1 z2, sau lấy trung

bình đại số hai giá trị Khi

2 ln ln z m z g

p p dz

RT

− = − ∫ (2.15)

( 1)

1

ln z z

RT g p p m − −

= (2.16)

( 1)

1 z z RT g m e p p − −

Phương trình (2.16) hay (2.17) tích phân phương trình tĩnh học khí Người ta cịn gọi phương trình cơng thức khí áp theo độ cao Cơng thức rõ áp suất khí biến đổi theo chiều cao phụ thuộc vào nhiệt độ khơng khí

Trong phần rõ hiệu khí áp vơ nhỏ trọng lượng thể tích ngun tố khơng khí với chiều dày dz Như hiệu khí áp nhỏ hai mực trọng lượng cột khơng khí mực đo Nếu lấy mực phía giới hạn khí quyển, ởđó khí áp thực tế 0, rõ ràng khí áp mực

sẽ trọng lượng tồn cột khơng khí thẳng đứng nằm mực cho

Phương trình tĩnh học khí tìm với giả thiết cân khơng khí theo chiều thẳng đứng Thực tế, tổng hợp lực trọng lực lực gradien khí áp theo chiều thẳng đứng khác khơng Song thơng thường tổng hợp lực khơng đáng kể

và gia tốc truyền cho khơng khí nhỏ Phương trình tĩnh học khơng

đúng tuyệt đối gần với độ xác cao

2.2.6 Ứng dụng cơng thức khí áp

Dùng cơng thức khí áp, ta giải ba tốn sau:

1/ Biết khí áp hai mực nhiệt độ trung bình cột khơng khí tính hiệu hai mực (cao

đạc áp kế)

2/ Biết khí áp mực nhiệt độ trung bình cột khơng khí, tìm khí áp mực khác

3/ Biết hiệu độ cao hai mực đại lượng khí áp tìm nhiệt độ trung bình cột khơng khí

Để có thểứng dụng thực tiễn, cơng thức khí áp đưa dạng thông dụng cách chuyển logarit tự nhiên sang logarit thập phân, chuyển nhiệt độ tuyệt đối sang dạng nhiệt

độ Selsi thay vào giá trị R g

Trong trường hợp khơng khí ẩm, ta lấy giá trị Rd khơng khí khơ nhân với

(1+0,377e/p) Nói cách khác, ta lấy giá trịRd cho khơng khí khơ, thay nhiệt độ thực

bằng nhiệt độảo

Ngoài ra, gia tốc trọng trường g đại lượng khơng đổi tuyệt đối, biến đổi theo vĩđộ địa lý độ cao mực biển biến đổi Giá trị gia tốc trọng trường phải hiệu đính Một loại quan trọng tốn thứ hai nêu việc quy khí áp mực biển biết khí áp nhiệt độở trạm khí tượng Đầu tiên người ta tính nhiệt

Hình 2.4 Sự giảm khí áp theo chiều cao phụ thuộc vào nhiệt độ

của cột khí

Đối với mực trạm ta lấy nhiệt độ thực, mực biển, ta lấy nhiệt độ thực đó, tăng đại lượng với mức độ mà nhiệt độ khơng khí biến đổi trung bình theo chiều cao

Ta lấy gradien thẳng đứng trung bình nhiệt độở tầng đối lưu 0,6oC/100m,

vậy trạm có độ cao 200m nhiệt độ ởđó 16°C mực biển nhiệt độ +17,2°C, cịn nhiệt độ trung bình trạm mực biển 16,6°C, sau từ khí áp trạm theo nhiệt độ trung bình ta xác định khí áp mực biển

Trên đồ synôp mặt đất điền khí áp quy mực biển Bằng phương pháp ta loại trừđược ảnh hưởng khác biệt vềđộ cao đại lượng khí áp tạo điều kiện làm sáng tỏ phân bố khí áp theo chiều ngang

2.2.7 Bậc khí áp

Ta dùng bậc khí áp để tính cách nhanh chóng biến đổi khí áp theo chiều cao Viết phương trình tĩnh học sau:

gp RT dp

dz =− (2.18)

Biểu thức dz/dp bậc khí áp Bậc khí áp đại lượng nghịch đảo gradien khí áp theo chiều thẳng đứng !dp/dz Rõ ràng, bậc khí áp số gia chiều cao khí áp giảm đơn vị

Từ (2.18) ta thấy bậc khí áp phụ thuộc vào

nhiệt độ cột khí: với khí áp mực bậc khí áp lớn khơng khí nóng nhỏ khơng khí

lạnh Trong điều kiện chuẩn (khí áp 1000mb

nhiệt độ 0oC) bậc khí áp 8m/1mb, nghĩa ở gần mặt

đất lên cao 8m khí áp giảm 1mb

Với nhiệt độ 0oC tại mực 5km, nơi khí áp gần 500mb, bậc khí áp tăng gấp đơi (tới 16m/1mb) khí áp 1/2 so với khí áp mặt đất

Từ hình 2.4 ta thấy với khí áp mặt đất

1000mb nhiệt độ hai cột khí khác khí áp 500mb cột khí nóng quan trắc thấy ởđộ cao lớn 350m so với khí áp 500mb cột khí lạnh hình 2.4 biểu diễn biến đổi đoạn nhiệt trạng thái khí

Trong khí q trình đoạn nhiệt tuyệt đối khơng thể có khơng khối lượng khơng khí hồn tồn cách biệt khỏi ảnh hưởng nhiệt môi trường xung quanh

Tuy nhiên, q trình khí xảy tương đối nhanh trao đổi xảy thời gian ngắn, biến đổi trạng thái coi đoạn nhiệt với độ gần tương đối

Nếu khối lượng khơng khí khí dãn nởđoạn nhiệt khí áp

đó giảm với khí áp, nhiệt độ giảm Ngược lại nén đoạn nhiệt khối khơng khí, khí áp nhiệt độ tăng Những biến đổi nhiệt độ không liên quan với trao đổi nhiệt mà q trình biến đổi nội chất khí (thế động phân tử) thành công hay q trình chuyển cơng thành nội năng.Khi dãn nở, khối khí sinh cơng chống lại áp lực bên ngồi, cơng dãn nở đòi hỏi cung cấp nội

Song nội chất khí tỷ lệ thuận với nhiệt độ tuyệt đối nó, qúa trình dãn nở, nhiệt độ khơng khí giảm Ngược lại nén khối khơng khí, cơng nén sinh nội tốc độ chuyển động phân tử tăng, nhiệt độ khơng khí tăng

2.3 ĐỊNH LUẬT BIẾN ĐỔI ĐOẠN NHIỆT CỦA NHIỆT ĐỘ KHƠNG

KHÍ

Định luật biến đổi đoạn nhiệt trạng thái chất khí lý tưởng với mức độ xác tương đối áp dụng cho khơng khí khơ cho khơng khí ẩm chưa bão hồ

Định luật đoạn nhiệt khơ biểu diễn phương trình đoạn nhiệt khơ hay cịn gọi phương trình Poatxon

Giả sử đơn vị khối lượng chất khí, nhiệt lượng Q biến đổi đại lượng dQ Khi đại lượng này, ta viết phương trình định luật thứ nhiệt động học vật lý (phương trình nhập lượng nhiệt) dạng

v

dQ=c dT+pdv (2.19)

ởđây, cvdT biến đổi nội

pdv công dãn nở hay cơng nén

Đối với q trình đoạn nhiệt, phương trình viết sau:

v

c dT= −pdv (2.20)

nghĩa công chống lại áp lực bên ngồi (cơng dãn nở) sinh nội năng, cịn cơng áp lực bên ngồi (cơng nén) làm tăng nội

Phương trình (2.19) khơng thuận tiện để tính tốn thể tích riêng khơng khí khơng

đo trực tiếp Cần phải loại đại lượng khỏi phương trình

pdv + vdp = RdT, pdv + RTdp RdT

p = ,

pdv = RdT− RTdp

p (2.21)

Thay đại lượng pdv từ cơng thức vào phương trình (2.21), ta có:

(R c dTv) RTdp

p

+ − = (2.22) Ngoài ra, từ vật lý ta biết nhiệt dung đẳng tích nhiệt dung đẳng áp liên hệ với công thức:

R+Cv = Cp. (2.23)

Từđó, ta viết lại phương trình (2.22)

0

p

dp c dT RT

p

− = (2.24)

hay

p

dT R dp

T =c p (2.25)

Phương trình biểu diễn trình đoạn nhiệt tích phân giới hạn từ giá trị nhiệt độ áp suất ban đầu T0, p0đến giá trịT, P cuối trình, ta có:

0

p R c

T p T p

⎛ ⎞ = ⎜ ⎟

⎝ ⎠ (2.26)

Với khí áp khơng đổi p = const ta có

Phương trình (2.26) phương trình Poatson biểu diễn trình biến đổi nhiệt độ

theo q trình đoạn nhiệt khơ dạng tích phân Chỉ số

p R

c 0,288 Đối với khơng khí ẩm chưa bão hồ, cần thay nhiệt độT nhiệt độảo Tv

Phương trình Poatson có nghĩa: Nếu từ đầu đến cuối q trình biến đổi nhiệt độ đoạn nhiệt, khí áp khối khơng khí khơ hay khối khí chưa bão hồ biến đổi từpođến p, nhiệt

độ khối khí biến đổi từTođến T; giá trị nhiệt độ khí áp liên quan với

2.3.1 Sự biến đổi đoạn nhiệt khô của nhiệt độ chuyển động thẳng đứng

Trong khí q trình dãn nở, biến đổi khí áp nhiệt độ liên quan với nó, phần lớn xảy khơng khí chuyển động lên (chuyển động thăng)

Chuyển động thẳng đứng khơng khí xảy hình thức dịng thăng chuyển

động khối khí lớn dọc theo mặt front hay khơng khí bốc lên theo sườn núi Q trình nén khơng khí kèm theo tăng khí áp tăng nhiệt độ xảy khơng khí hạ

xuống thấp khí xuống Từđó, ta rút kết luận quan trọng: Khơng khí nâng lên cao lạnh đoạn nhiệt, khơng khí hạ xuống thấp nóng lên đoạn nhiệt

Ta dễ dàng tính khoảng cách khơng khí phải nâng lên hay hạ xuống để nhiệt độ giảm hay tăng 1°C

Ta viết phương trình (2.25) dạng:

0

p i i

dp c dT RT

p

− = (2.27)

Chữ i ởđây nhiệt độứng với phần tử khí cá thể chuyển động thẳng đứng Theo phương trình tĩnh học (2.9)

a

dp g dz p = −RT ,

Chữ a nhiệt độ cột khơng khí khí quyển, mơi trường xung quanh phân tử

khí ký hiệu chữ i Từđó ta viết lại phương trình (2.25) sau:

i i

p a

dT g T dz c T

⎛ ⎞ = − ⎜ ⎟

⎝ ⎠ (2.28)

Dấu trừ trước vế thứ hai khơng khí lên đoạn nhiệt, nhiệt độ giảm; khơng khí khơ hạ xuống đoạn nhiệt, nhiệt độ tăng

Tỉ số ngoặc gần nhiệt độ tuyệt đối khơng khí chuyển động thẳng

đứng khác biệt với nhiệt độ khơng khí xung quanh Ti ≅ Ta

Cho tỷ số 1, ta công thức biểu diễn biến đổi nhiệt độ khơng khí chuyển động thẳng đứng, ứng với đơn vị chiều cao

i p

dT g

dz = −c (2.29)

Đại lượng g/Cp 0,98oC/100m Tóm lại, khơng khí khơ hay khơng khí ẩm chưa bão

Đại lượng 1°C/100m gọi gradien đoạn nhiệt khô Cần nhớ ta xét biến đổi nhiệt độ theo chiều cao hạt khơng khí chuyển động thẳng đứng Khơng nên lẫn từ

gradien ý nghĩa với gradien thẳng đứng nhiệt độ cột khí nói

mục sau

2.3.2 Sự biến đổi đoạn nhiệt ẩm của nhiệt độ

Q trình nâng lên đoạn nhiệt làm nhiệt độ khơng khí ẩm chưa bão hồ giảm Nếu mực sát đất khơng khí chưa bão hồ (độ hụt bão hồ d = E – e(mb) lớn, E sức trương nước bão hoà phụ thuộc vào nhiệt độ e sức trương nước thực tế) lớn, nâng lên cao với giá trị sức trương nước thực tế nhưở mực nhiệt độ

giảm sức trương nước bão hoà E giảm Nâng lên tới độ cao E = e khơng khí xẩy tượng bão hoà ngưng kết Độ cao xẩy tượng phần tử khí gọi mực ngưng kết (Hình 2.5) Nhưng lên cao nhiệt độ khơng khí giảm, sức trương nước bão hồ giảm, tới độ cao khơng khí đạt tới trạng thái bão hồ d = E – e = Độ cao gọi mực ngưng kết minh hoạ giản đồ thiên khí (Hình 2.5) Tiếp tục lên cao nữa, khơng khí ẩm bão hồ lạnh theo định luật đoạn nhiệt ẩm khác so với khơng khí chưa bão hồ

Hình 2.5

Sơđồ giản đồ thiên khí dùng để xác định mực ngưng kết (Pk), giới hạn mây (Po) lượng bất ổn định bất ổn định tầng khí theo số liệu thám trắc nhiệt độ (T) điểm sương (To Tdo) độ cao

Đường Qmax độẩm riêng cực đại tương ứng với Tdo

Trong khơng khí ẩm xảy tượng ngưng kết Khi ngưng kết toả lượng nhiệt hố hay cịn gọi nhiệt lượng ngưng kết đáng kể (gần 600 cal, ứng với gam nước ngưng kết) Sự toả nhiệt làm chậm lại giảm nhiệt độ khơng khí bốc lên cao Vì khơng khí bão hồ chuyển động lên cao, nhiệt độ khơng giảm theo phương trình Poatxong, mà theo định luật đoạn nhiệt ẩm với gradien thẳng đứng nhiệt độ nhỏ Nhiệt độ giảm, lượng ẩm khơng khí trạng thái bão hoà lớn Mặt khác, lượng ẩm lại phụ thuộc vào nhiệt độ khí áp Khơng khí bão hoà lên cao 100m

0,44°C, nhiệt độ 20°C lạnh 0,88°C Dưới áp suất nhỏ hơn, giảm nhiệt độ tương ứng nhỏ Người ta gọi trị số giảm nhiệt độ khơng khí bão hồ chuyển động lên đơn vị chiều cao (100m) gradien đoạn nhiệt ẩm

Khi tới tầng cao khí quyển, khơng khí có nhiệt độ thấp, lượng nước khơng khí nhỏ, nhiệt lượng toả ngưng kết nhỏ Sự giảm nhiệt

độ lên cao khơng khí ẩm gần giảm nhiệt độ khơng khí khơ Nói cách khác gradien khí áp nhiệt độ thấp gần gradien đoạn nhiệt khơ

Khi khơng khí bão hồ hạ xuống, q trình xảy khác nhau, tuỳ thuộc vào điều kiện khơng khí cịn sản phẩm ngưng kết (các giọt nước, hạt băng) hay sản phẩm rơi hết khỏi không khí dạng giáng thủy

Nếu khơng khí khơng cịn sản phẩm ngưng kết bắt đầu hạ xuống nhiệt

độ tăng, trở thành khơng khí chưa bão hồ

Vì vậy, khơng khí hạ xuống nóng lên theo định luật đoạn nhiệt khô, nghĩa tăng lên 1°C/100m Nếu khơng khí có giọt nước hạt băng hạ xuống nóng lên, chúng bốc Khi phần nhiệt lượng khối khí chuyển thành ẩn nhiệt hố tăng nhiệt độ khơng khí hạ xuống thấp giảm bớt, kết

là không khí bão hồ tồn sản phẩm ngưng kết chưa chuyển sang trạng thái Nhiệt độ khơng khí tăng theo định luật đoạn nhiệt ẩm, nghĩa không tăng 1°C/100m, mà tăng đại lượng nhỏ

Thông thường, biến đổi nhiệt độ coi gần đoạn nhiệt trường hợp

đó q trình biến đổi nhiệt độở khu vực mây gần hình 2.5

Từ mặt đất đến mực ngưng kết chân mây nhiệt độ khối khí khơ chưa bão hồ

giảm theo định luật đoạn nhiệt khơ, nghĩa giảm 1°C/100m, tương tự theo đường đoạn nhiệt khô giản đồđoạn nhiệt Mực ngưng kết mực khơng khí bão hồ ngưng kết di chuyển lên cao nhiệt độ khơng khí giảm Trên giản đồ thiên khí (Hình 2.5) mực ngưng kết mực đường đoạn nhiệt khô từ điểm ban đầu mặt đất có nhiệt độ T gặp

đường độẩm riêng cực đại qua điểm có điểm sương TDở mặt đất Từ mực ngưng kết (chân

mây) đến đỉnh mây nhiệt độ giảm theo định luật đoạn nhiệt ẩm nghĩa giảm khoảng 0,66°C/100m Từ đỉnh mây lên cao mực 0°C không cịn nước khơng khí nhiệt độ lại giảm gần theo định luật đoạn nhiệt khô, nghĩa giảm gần 1°C/100m Quá trình chuyển động thăng làm giảm nhiệt độ khơng khí thường xẩy khơng khí gặp khối núi hay front, mặt ngăn cách khối khí nóng lạnh sườn núi đón gió chế chủ yếu hình thành mây

2.3.3 Quá trình đoạn nhiệt giả

nước) Nếu ta giả thiết toàn nước tạo ngưng kết rơi hết khỏi khối khơng khí xuống mặt đất dạng giáng thủy khối khí lại trở thành khối khí khơ chưa bão hồ nước Khi chuyển động xuống sang phía sườn khuất gió, nhiệt độ khối khí lại tăng theo q trình đoạn nhiệt khơ, nghĩa tăng gradien thẳng đứng nhiệt độ 1°C/100m Tại sườn khuất gió khơng khí có nhiệt độ lớn so với sườn đón gió nhiều độ ẩm khơng khí nhỏ gây nên thời tiết khơ nóng Q trình xảy nhiều nơi giới

được gọi tượng phơn, nhưđược mơ tả chi tiết phần gió địa phương (Chương 6) Hiện tượng thường xảy Việt Nam liên quan với tương tác dãy núi Tây Bắc Trường Sơn với gió tây tây nam vào đầu mùa hè gọi gió tây khơ nóng

2.3.4 Nhiệt độ thế vị

Giả thiết ởđộ cao khí phần tử khí có khí áp p nhiệt độ T Nếu phần tử khí hạ xuống theo q trình đoạn nhiệt khơ đến mực có khí áp p0 nhiệt độ biến đổi theo phương trình Poatson Nhiệt độ mực phần tử khí hạ tới tính theo cơng thức Poatson dạng

θ = T (p0/p)R/Cp (2.30)

ởđây T nhiệt độ phân tử z độ cao hạt khí tính hectomet xuống thấp 100m nhiệt độ khơng khí tăng lên 1°C

Nhiệt độ vị nhiệt độ có phần tử khí hạđoạn nhiệt tới mực 1000mb,

vậy đại lượng phụ thuộc vào khí áp Dùng nhiệt độ vị ta so sánh trạng thái nhiệt khối khí độ cao khác Khi tính nhiệt độ vị dường ta hạ

chúng xuống mực 1000mb

Nếu khơng khí biến đổi trạng thái theo định luật đoạn nhiệt khơ, nhiệt độ vị

không đổi đường đoạn nhiệt khơ đường đẳng nhiệt độ vị Chỉ bắt đầu có tượng ngưng kết toảẩn nhiệt, nhiệt độ vị tăng

2.3.5 Sự phân bố thẳng đứng của nhiệt độ

Trong (2.30) ta mô tả biến đổi nhiệt độ khối khí định nâng lên hay hạ xuống đoạn nhiệt Cần phân biệt biến đổi nhiệt độ “cá thể” với phân bố

thẳng đứng nhiệt độ khí nói

Nhiệt độ khí phân bố khác theo chiều cao Sự phân bố không theo quy luật đơn giản đường biểu diễn phân bố nhiệt độ khí có chiều dày khơng phải đường cong hình học đơn giản Chỉ số trường hợp ta so sánh gần đường biểu diễn với đường cong Gradien thẳng đứng nhiệt độ – dT/dz, nghĩa biến đổi nhiệt độ khí ứng với đơn vịđộ

hàm có dấu âm, nên trường hợp nhiệt độ giảm thông thường theo chiều cao, nghĩa với giá trịdT âm dz dương, gradien đại lượng dương

Gradien thẳng đứng nhiệt độ biến đổi giới hạn tương đối lớn Trong phần tầng đối lưu nghĩa tầng 10km thuộc miền ôn đới 15km thuộc miền nhiệt đới, gradien thẳng đứng nhiệt độ trung bình 0,6°C/100m, lớp khơng khí vài trăm mét sát mặt đất đốt nóng gradien tăng lên 1°C/100m, cịn lớp mỏng mặt thổ nhưỡng đốt nóng lớn nhiều lần (tới 500°C/100m) hay gradien siêu đoạn nhiệt Có trường hợp nhiệt độ

khơng khí khơng giảm theo chiều cao mà lại tăng, người ta gọi phân bố nhiệt

độ nghịch nhiệt, cịn gradien thẳng đứng nhiệt độ rõ ràng có dấu âm Hiện tượng nghịch nhiệt thường thấy vào ban đêm lớp khơng khí sát mặt đất, song thường thấy độ cao khác khí tự Nếu nhiệt độ lớp khơng khí theo chiều cao khơng biến đổi, nghĩa gradien thẳng đứng nhiệt độ 0, người ta gọi trạng thái lớp khí trạng thái đẳng nhiệt Trong tầng khơng khí từ 10 – 15km, đến khoảng 50km, phân bố thẳng đứng nhiệt độ tính trung bình có đặc tính

đẳng nhiệt hay nghịch nhiệt

Nếu nhiệt độ phân tử biến đổi theo chiều cao, nói chung nhiệt độ vị biến đổi, song trường hợp nhiệt độ phân tử theo chiều cao giảm 1°C/100m, nhiệt độ vị

theo chiều cao khơng đổi

Trong trường hợp gradien nhiệt độ phân tử nhỏ 1°C/100m, tượng thường thấy, nhiệt độ vị theo chiều cao tăng

Chỉ trường hợp đặc biệt gradien nhiệt độ thẳng đứng phân tử lớn 1°C/100m nhiệt độ vị giảm theo chiều cao Nhiệt độ vị giảm nhanh gradien nhiệt độ vị lớn 1°C/100m Trong lớp đẳng nhiệt, nhiệt độ vị theo chiều cao tăng 1°C/100m Trong lớp nghịch nhiệt nơi nhiệt độ phân tử tăng theo chiều cao, nhiệt độ vị tăng nhanh

2.4 GIA TỐC ĐỐI LƯU

Chuyển động đối lưu khí chủ yếu có tính rối, xáo trộn khơng có trật tự khơng khí Tuy nhiên, gradien nhiệt độ thẳng đứng gần gradien đoạn nhiệt chuyển động trở nên có xếp hơn, trở thành đối lưu tập hợp dịng khí theo chiều thẳng

đứng, tốc độ kể tới 10 – 20 m/s , mây cho mưa đá tốc độ dịng khí có thiết diện lớn hơn, dòng thẳng đứng mây đối lưu chí tới 30 – 50m/s

Tuy nhiên, khơng thể khẳng định có mặt dịng khí liên tục mặt

đất tầng cao khí Q trình có tính rối xong kích thước yếu tố lớn tăng theo chiều cao Theo chiều thẳng đứng đối lưu ngày khơng khí xung quanh vào làm phức tạp thêm chếđối lưu

Ta xem xét đối lưu dạng lý tưởng đơn giản Ta coi tham gia vào chuyển

khơng xáo trộn với khơng khí xung quanh Ta tìm phương trình tính gia tốc phần tử

khí

Tác động lên phần tử khí di chuyển theo chiều thẳng đứng trọng lực hướng xuống phía dưới, lực gradien khí áp theo chiều thẳng đứng hướng lên Ta viết phương trình chuyển

động thẳng đứng phần tử khí cách cân lực quán tính thể qua gia tốc d z22

dt

và tổng hai lực nói tương ứng với đơn vị khối lượng

2

1

i

d z dp g

dz

dt = − −δ (2.31)

Trong khí xung quanh tuân theo phương trình tĩnh học a dp g dz δ

= − ; dp g a dz = − δ ,

ở δa mật độ khơng khí, khác với mật độ phần tử khơng khí di chuyển

thẳng đứng δi

Từđó, 22 a i

i d z g dt δ δ δ −

= , (3.32)

khi mật độ thơng qua phương trình trạng thái chất khí

2 i a i T T d z g T dt − = −

Ta thấy gia tốc chuyển động thẳng đứng phần tử khí – gia tốc đối lưu phụ thuộc vào hiệu nhiệt độ tuyệt đối khơng khí chuyển động môi trường xung quanh Khi nhiệt độ gần 273OK nghĩa 0OC hiệu nhiệt độTi– Ta = 1OC, gia tốc đối lưu gần

bằng cm/s

Nếu hiệu Ti – Tadương gia tốc đối lưu dương phần tử khí thăng lên

Thực tế, cần đánh giá khả phát triển trường hợp phân bố thẳng đứng nhiệt

độ khí bảo đảm trì hiệu Ti – Ta Nếu ban đầu có hiệu Ti – Ta để trì hiệu

theo chiều cao với gradien γ = γd =1OC / 100m Đối lưu trì theo chiều cao khơng tăng cường theo chiều cao khí có tầng kết phiếm định

Nếu gradien thẳng đứng nhiệt độ khơng khí nhỏ gradien đoạn nhiệt khơ (γ < γd) hiệu nhiệt độ ban đầu (Ti – Ta) theo chiều cao giảm Khi gia tốc đối lưu giảm, đến độ

cao (Ti – Ta) = 0, chuyển động thẳng đứng phần tử khí dừng lại khí có tầng

kết ổn định Nếu γ > γd chuyển động thẳng đứng, thăng hay giáng hiệu nhiệt độ (Ti –

Đối với khơng khí bão hồ nước, nước phần tử khí ngưng kết giải phóng tiềm nhiệt 600cal/g, lượng nhiệt đốt nóng phần tử khí nên làm giảm gradien nhiệt

độ theo chiều thẳng đứng, nghĩa giảm nhiệt độ 1OC / 100m mà giảm 0.8OC/100m chẳng hạn Lượng ẩm phần tử khí lớn giảm nhiệt độ lên cao 100 gradien đoạn nhiệt ẩm nhỏ gradien đoạn nhiệt khô

Tương tự, trình đoạn nhiệt ẩm ta có tầng kết phiếm định ẩm γ = γw, tầng kết bất ổn định γ > γw cuối cùng, tầng kết ổn định γ < γw

Như vậy, đối lưu phát triển mạnh khí có tầng kết bất ổn định khô (dưới mực ngưng kết) bất ổn định ẩm (phía mực ngưng kết) tạo điều kiện cho mây đối lưu phát triển Đối lưu bị cản trở trường hợp tầng kết ổn định khô hay ẩm đối lưu trì tầng kết phiếm định Thực tế, đám mây tích ln hệ thống biến đổi, phần mây bốc tan đi, phần mây khác lại hình thành Nếu trình hình thành mạnh hơn, mây phát triển ngược lại

2.5 TRAO ĐỔI RỐI

Chuyển động rối (còn gọi loạn lưu) kể cảđối lưu có xếp gây nên xáo trộn khơng khí mạnh, theo chiều thẳng đứng Sự xáo trộn lớn gấp ngàn lần xáo trộn phân tử khuếch tán

Ta biết, trình rối phân tử riêng biệt, mà yếu tố

loạn lưu lớn nhiều, chuyển động xáo trộn

Sự xáo trộn khơng khí trình rối dẫn tới lan truyền nhiệt ẩm khí quyển, đặc biệt trao đổi nhiệt ẩm theo chiều thẳng đứng Động lượng Vm (m khối lượng, V tốc độ) tham gia vào trình trao đổi loạn lưu, trình trao

đổi rối xảy sựđiều hồ tốc độ gió theo chiều thẳng đứng Kết khí ngồi ma sát phân tử (nhớt phân tử), cịn có ma sát rối mạnh gấp ngàn lần Trong chương nói rõ vấn đề

Trong trình trao đổi rối, thực thể (tạp chất thâm nhập vào không khí hay tính chất chúng) lan truyền theo hướng giảm nghĩa theo hướng gradien thẳng đứng chúng Lượng nước bụi thông thường giảm theo chiều cao, vận chuyển rối thực thể thường hướng lên Động lượng truyền xuống tốc độ

gió tăng theo chiều cao

Những điều kiện trao đổi rối biểu diễn công thức:

S = – A(ds/dz), (2.33)

Vấn đề vận chuyển rối nhiệt độ vị xẩy phức tạp Do tính nén khơng khí biến đổi đoạn nhiệt nhiệt độ chuyển động thẳng đứng, nên ta khơng thể suy đốn hướng vận chuyển nhiệt theo hướng gradien nhiệt độ phân tử Nhiệt

độ vị đặc trưng bảo thủ trạng thái khơng khí q trình đoạn nhiệt khơ Vì phương trình trao đổi nhiệt viết sau:

Q = – Acp(δθ/δ z), (2.34) ởđây cp tỷ nhiệt đẳng áp không khí, cịn θ nhiệt độ vị

Theo cơng thức này, dịng nhiệt thẳng đứng (δθ/δ z) = 0, nghĩa (δ T/δ z) = 1oC/100m

Nếu nhiệt độ vị tăng theo chiều cao, nghĩa gradien nhiệt độ phân tử nhỏ gradien đoạn nhiệt dịng nhiệt hướng xuống

Nếu nhiệt độ vị giảm theo chiều cao, nghĩa gradien nhiệt độ phân tử lớn gradien đoạn nhiệt, dịng nhiệt hướng lên Nhưng điều kiện thực khí nhiệt độ vị thường tăng theo chiều cao, nghĩa gradien nhiệt độ phân tử nhỏ gradien đoạn nhiệt Từđó, ta rút kết luận phần lớn vận chuyển nhiệt rối hướng từ xuống dưới, nghĩa từ khí xuống mặt đất Tuy thực tế ta thấy mặt đất nói chung nóng khơng khí nằm nên thường nhiệt phải truyền từ đất lên cao vào khí từ khí xuống mặt đất Điều có nghĩa truyền nhiệt lên

bắt đầu gradien thẳng đứng nhiệt độ nhỏ 1°C/100m Gradien cân nhiệt

độ tương ứng với sựđổi hướng vận chuyển nhiệt rối khơng phải 1°C/100m mà trung bình 0,6°C/100m

Tất nhiên vào thời gian khác ngày, năm, hướng vận chuyển nhiệt khác Song nhìn chung hướng trình truyền nhiệt từ mặt đất vào khí chiếm ưu

Ta không xét chi tiết nguyên nhân tượng Rất nguyên nhân phân bố không đồng nhiệt độ theo chiều nằm ngang, trình loạn lưu chịu ảnh hưởng lực Acsimet, kết khối khí bốc lên cao phần lớn nóng khơng khí xung quanh, cịn khơng khí lạnh khơng khí xung quanh thường hạ xuống

Điều dẫn đến vận chuyển nhiệt lên cao, chí trường hợp gradien nhiệt độ

nhỏ gradien đoạn nhiệt khơ

2.6 CÁC TẦNG KHÍ QUYỂN

Khí thành tạo số tầng dạng cầu có tâm, khác biệt theo điều kiện nhiệt điều kiện khác Trên hình 2.6 tầng khí phân chia theo khí áp, nhiệt độ theo tính ion hố

khí áp giảm rõ rệt đến mức khí áp cịn 1% khí áp mặt đất Tính theo phân bố ion phân tử khí chia thành tầng đồng tầng hỗn hợp

Hình 2.6

Phân tầng khí theo tính nhiệt tầng điện ly

2.6.1 Tầng đối lưu

Tầng đối lưu tầng nằm 10 – 15km khí quyển, tập trung 4/5 khối lượng khơng khí khí Tầng đối lưu đặc trưng giảm nhiệt độ theo chiều cao trung bình 0,6°C/100m (trong trường hợp phân bố nhiệt độ theo chiều thẳng đứng biến đổi lớn) Trong tầng đối lưu tập trung toàn lượng nước khí xuất tồn mây Trong tầng này, loạn lưu phát triển mạnh, đặc biệt

ở gần mặt đất dòng chảy xiết phần tầng đối lưu

Độ cao tầng đối lưu nơi Trái Đất biến đổi từ ngày sang ngày khác, chí độ cao trung bình khác vĩđộ khác qua mùa năm Tính trung bình năm, độ cao tầng đối lưu cực khoảng 9km Ở miền ôn đới 10 – 12km, miền nhiệt đới xích đạo 16 – 17km

Nhiệt độ trung bình năm khơng khí gần mặt đất khoảng +26°C xích đạo – 26°C Bắc cực Nhiệt độ tầng đối lưu cực vào mùa đông khoảng – 65°C, vào mùa hè khoảng – 45°C Trên xích đạo nhiệt độ đỉnh tầng đối lưu – 80°C nghĩa ởđộ cao xích đạo lạnh cực Khí áp giới hạn tầng đối lưu tương ứng với độ cao nhỏ khí áp mặt đất chừng – lần Như khối lượng khơng khí khí tập trung tầng đối lưu Những trình xẩy tầng đối lưu có ý nghĩa trực tiếp định thời tiết khí hậu mặt đất

đặc biệt rõ nét, nhiệt độ ban ngày giảm nhanh theo chiều cao, ban đêm nhiệt độ tăng theo chiều cao mặt đất bị phát xạ nhiệt nên có nhiệt độ thấp nhiệt độ khơng khí

Tầng từ mặt đất đến độ cao – 1,5km gọi tầng ma sát, tầng gió yếu so với tầng nằm – gần mặt đất gió yếu

2.6.2 Tầng bình lưu tầng khí quyển giữa

Trên tầng đối lưu đến độ cao 50 – 60km tầng bình lưu Đặc trưng tầng nhiệt

độ trung bình tăng theo chiều cao Lớp chuyển tiếp tầng đối lưu tầng bình lưu gọi

đỉnh tầng đối lưu

Trong mục ta dẫn số liệu nhiệt độđỉnh tầng đối lưu, số liệu đặc trưng cho lớp tầng bình lưu Như vậy, nhiệt độ khơng khí phần tầng bình lưu xích đạo nhỏ, mùa hè nhiệt độ ởđây nhỏ cực nhiều

Phần tầng bình lưu nhiều có tính đẳng nhiệt Song từđộ cao khoảng 25km nhiệt

độ tầng bình lưu bắt đầu tăng nhanh theo chiều cao, tới độ cao khoảng 50 km nhiệt

độđạt tới giá trị cực đại giá trị dương (từ 10°C đến 30°C) Do nhiệt độ tăng theo chiều cao nên loạn lưu ởđây xảy yếu chuyển động khơng khí chủ yếu xảy theo chiều ngang, tầng gọi tầng bình lưu

Lượng nước tầng bình lưu nhỏ Tuy vậy, miền vĩđộ cao quan trắc thấy mây sà cừ mỏng độ cao 20 – 25km Ban ngày mây không rõ, ban đêm chúng sáng lên chiếu mặt trời nằm đường chân trời Những đám mây thành tạo hạt nước lạnh

Một đặc trưng tầng bình lưu tập trung phần lớn lượng ơzơn khí Với ý nghĩa đó, ta cịn gọi tầng bình lưu tầng ôzôn Sự tăng nhiệt độ theo chiều cao tầng bình lưu hấp thụ xạ mặt trời ơzơn

Trên tầng bình lưu tầng khí nằm độ cao khoảng 80km Ở nhiệt độ

theo chiều cao giảm đến vài chục độ

Do nhiệt độ giảm nhanh theo chiều cao, tầng khí tượng loạn lưu phát triển mạnh Tại giới hạn tầng khí giữa, người ta cịn quan trắc thấy mây bạc, dạng đặc biệt mây mặt trời chiếu sáng ban đêm Rất chúng tạo thành hạt băng Khí áp ởđỉnh tầng khí nhỏ mặt đất khoảng 200 lần

vậy tầng đối lưu, tầng bình lưu tầng khí đến độ cao khoảng 80 km tính chung chứa 99.5% tồn khối lượng khí

2.6.3 Tầng ion

Phần khí quyển, nằm tầng khí đặc trưng nhiệt độ

chuyển tiếp tới “tán” Trái Đất Khơng khí tầng ion lỗng vơ Như phần nói, ởđộ cao 3000 – 7500km, mật độ trung bình khơng khí khoảng 10 – – 10 – 10 g/cm3 Song với mật độ đó, cm3 khơng khí ởđộ cao 300km cịn chứa khoảng tỷ phân tử

hay nguyên tử, độ cao 600km lượng lớn 10 triệu lần lượng không gian hành tinh nhiều bậc đại lượng

Tầng ion tên gọi, đặc trưng q trình ion hố khơng khí mạnh Như nói trên, lượng ion tầng ion lớn tầng khơng khí ởđây lỗng Phần lớn ion nguyên tử oxy nitơ, phân tử oxy nitơ tích điện điện tử tự Lượng ion ởđộ cao 100 – 400km có khoảng 1015+ – 106 1cm3

Trong tầng ion có số lớp hay số khu vực ion hoá cực đại, đặc biệt ởđộ cao 100 – 120km (lớp E) 200 – 400km (lớp F) Tuy khoảng lớp độ ion hoá khí cịn lớn Vị trí lớp ion hố chúng ln biến đổi theo thời gian Những tập hợp ion với mật độ lớn gọi đám mây ion Tính dẫn điện khí phụ thuộc vào mức độ ion hố Vì vậy, tầng ion tính dẫn điện khơng khí nói chung lớn gần mặt đất khoảng 1012 lần Trong tầng ion sóng vơ tuyến điện bị hấp thụ, khúc xạ phản hồi Những sóng có bước sóng lớn 20m nói chung khơng xun qua tầng ion chúng bị phản hồi lại lớp điện tử có mật độ khơng lớn phần (ởđộ cao 70 – 80km) Những sóng trung bình sóng ngắn bị lớp ion nằm cao phản hồi Chính phản hồi tầng ion tạo khả liên lạc từ xa sóng ngắn Sự phản hồi nhiều lần từ tầng điện ly mặt đất cho sóng ngắn lan truyền theo hình chữ chi khoảng cách lớn bao quanh Trái Đất Do vị trí độ tập trung lớp ion thường xuyên biến đổi nên điều kiện hấp thụ, phản hồi lan truyền sóng vơ tuyến biến đổi Vì vậy, đểđảm bảo cách chắn việc thông tin liên lạc ta phải theo dõi liên tục trạng thái tầng ion Quan trắc phân bố lớp sóng vơ tuyến phương pháp tiến hành việc nghiên cứu Trong tầng ion cịn quan sát thấy tượng cực quang tượng gần giống cực quang chất – tượng chiếu sáng ban

đêm chiếu sáng liên tục khơng khí khí quyển, biến thiên lớn từ

trường hay bão từ tầng ion

Q trình ion hố tầng ion xảy tác động xạ cực tím mặt trời Sự

hấp thụ xạ cực tím mặt trời phần tử chất khí khí đặc biệt oxy dẫn tới xuất nguyên tử mang điện điện tử tự nói Sự biến thiên từ trường tầng ion tượng cực quang phụ thuộc vào biến thiên hoạt

động mặt trời Sự biến thiên luồng xạ hạt từ mặt trời tới khí Trái Đất có liên quan với hoạt động mặt trời Chính xạ hạt có ý nghĩa chủ yếu tượng kể tầng ion

Nhiệt độ khí tầng ion tăng theo chiều cao đạt tới giá trị lớn, độ cao khoảng 800km nhiệt độ đạt tới 1000°C Khi nói nhiệt độ cao bất thường tầng ion, người ta muốn lưu ý đến tốc độ chuyển động lớn hạt khí Tuy nhiên, mật độ

thuộc vào hấp thụ trực tiếp xạ mặt trời, phản xạ ngồi khơng gian xung quanh thân vệ tinh

2.6.4 Tầng khí quyển ngồi

Những lớp khí cao 800 – 1000km gọi tầng khí Trong tầng tốc độ chuyển động hạt khí, hạt nhẹ có thểđạt tốc độ lớn khơng khí ởđộ cao lỗng hạt khí bay vịng Trái Đất theo quỹđạo hình bầu dục mà khơng va chạm với Các hạt khí khơng tích điện có thểđạt tốc độ tới hạn 11,2 km/s Một số chúng chuyển động theo quỹđạo hypecbol bay khỏi khí quyển, khuếch tán “biến mất” vào khơng gian vũ trụ Vì vậy, người ta cịn gọi tầng khí ngồi tầng khuếch tán

Q trình biến vào khơng gian vũ trụ phần lớn xảy với nguyên tử hydro, chất khí chiếm ưu thếở lớp tầng khí ngồi

Nhưng tài liệu quan trắc từ vệ tinh cho thấy hydro bay khỏi tầng khí ngồi tạo nên xung quanh Trái Đất “tán” Trái Đất ởđộ cao khoảng 20000km Tất nhiên, mật độ

chất khí “tán Trái Đất” nhỏ khơng đáng kểởđây tính trung bình cm3 chỉ có khoảng vài nghìn hạt Trong khơng gian hành tinh, độ tập trung hạt (phần lớn proton điện tử) nhỏ hàng chục lần

Bằng tên lửa vệ tinh vật lý địa cầu, người ta xác định tồn phần khí khơng gian vũ trụ gần mặt đất, dải xạ Trái Đất lan từ độ cao vài trăm km tới độ cao vài vạn km Dải xạ hình thành hạt tích điện proton điện tử bị thu hút trường Trái Đất chuyển động với tốc độ lớn, lượng chúng khoảng vài chục vạn điện tử vôn Dải xạ thường xuyên chuyển hạt vào khí Trái Đất thường xuyên bổ sung nhờ luồng xạ hạt Mặt Trời

2.7 CÁC KHỐI KHÍ VÀ FRONT

Trong hồn lưu chung khí (chuyển động dịng khí quy mơ lớn cỡ lục địa biển) khơng khí tầng đối lưu chia thành khối khí nhiều có đặc tính riêng di chuyển từ khu vực sang khu vực khác Trái Đất Kích thước theo chiều ngang khối khí

đến vài nghìn km

Khối khí với nhiệt độ thuộc tính độ ẩm, lượng bụi thuộc tính khác thường mang dấu ấn trung tâm phát sinh chúng, khu vực mà ởđó khối khí hình thành khối khí tồn vẹn tác động mặt đất đồng Tiếp đó, chuyển động

đến khu vực khác chúng mang tới chế độ thời tiết riêng Sự xuất nhiều lần khối khí thuộc hay nhiều loại tạo nên chếđộ khí hậu đặc trưng cho khu vực

Có khối khí với trung tâm phát sinh đới địa lý khác nhau; khối khí

địa lý: Bắc Nam Băng Dương, khối khí cực (hay khối khí miền ơn đới), khối khí nhiệt đới khối khí xích đạo Mỗi loại khối khí kể đặc trưng giá trị

Tất nhiên, thuộc tính khối khí, trước hết nhiệt độ khơng ngừng biến đổi chuyển động từ khu vực sang khu vực khác, chúng biến đổi tính chất (q trình biến tính tương đối) Q trình biến tính tuyệt đối xảy khối khí địa lý chuyển biến thành khối khí địa lý khác, chẳng hạn khối khí cực chuyển biến thành khối khí nhiệt đới di chuyển xuống miền vĩđộ thấp

Người ta gọi khối khí chuyển động từ mặt đất lạnh đến mặt đất nóng (thường từ vĩđộ cao xuống vĩđộ thấp) khối khí lạnh Trên đường khối khí lạnh gây

đợt lạnh nơi qua Mặt khác, đường khối khí lạnh nóng lên chủ yếu từ phía – từ mặt đất, khối khí lạnh gradien thẳng đứng nhiệt độ lớn, trình đối lưu phát triển kèm theo hình thành mây tích mây vũ tích cho giáng thủy rào Người ta gọi khối khí chuyển động tới mặt đất lạnh (tới vĩđộ cao hơn) khối khí nóng Những khối khí gây tượng nóng lên, song thân chúng lạnh từ phía dưới, tạo nên lớp gradien nhiệt độ thẳng đứng nhỏ Hiện tượng đối lưu không phát triển, mây tầng sương mù chiếm ưu

Ngồi ra, người ta cịn phân biệt khối khí địa phương tồn lâu ởđịa phương Tính chất khối khí địa phương xác định nóng lên lạnh mặt