Mây là tập hợp các hạt vật chất với mật độ lớn được tạo thành do sự ngưng kết của thành phần trung gian là nước hoặc tinh thể băng hoặc cả 2 dạng này. Nước hoặc tinh thể băng được tạo thành khi dưới tác dụng của năng lượng bức xạ Mặt trời, hơi nước từ biển, hồ, sông bốc hơi và biến thành hơi nước và đi vào trong không khí. Khi hơi nước càng lên cao nhiệt độ của nó càng giảm và chịu áp suất càng nhỏ. Nó dễ dàng ngưng tụ thành những giọt nước lớn dần khi gặp những hạt như bụi, khói …, được gọi là các hạt nhân ngưng tụ và kết đông thành pha rắn khi nhiệt độ dưới nhiệt độ đông đặc. Quá trình tập hợp khối vật chất có mật độ cao có thể là giọt dạng lỏng ở phân tầng dưới hoặc là tinh thể ở phân tầng cao có nhiệt độ thấp tạo thành mây [1, 2].
Hình ảnh quá trình tạo thành mây có thể được thể hiện trong Hình 2.2. sau đây
Hình 2.2: Mô tả sự hình thành mây: khi không khí càng lên cao nhiệt độ càng giảm. Mây hình thành khi hơi nước lạnh bên dưới điểm sương [14]
1800 m Nhiệt độ: 15oC Điểm sương: 15oC 900 m Nhiệt độ: 24oC Điểm sương: 15oC Mặt đất Nhiệt độ: 33oC Điểm sương: 15oC
Mây tồn tại ở các độ cao khác nhau phần bố từ 1 km tới 25 km trong khí quyển trên bề mặt Trái đất có thể nhìn thấy được bằng mắt thường và tồn tại trong khoảng thời gian hàng phút hoặc lâu tới hàng tháng. Các đám mây bao phủ từ 60% tới 70% diện tích bề mặt Trái đất. Sự tồn tại của các đám mây giữ một vai trò quan trọng trong hình thái khí hậu toàn cầu bởi sự tồn tại của chúng ảnh hưởng tới sự hấp thụ, phản xạ bức xạ Mặt trời và đóng góp chính trong hiệu ứng nhà kính, cũng như quyết định lượng nước luân chuyển trong chu trình bay hơi và gây mưa [1, 2].
Hình dáng, kích thước, độ cao, bề dày và trạng thái tự nhiên của một đám mây và tổng thể các đám mây hình thành trong cùng một khoảng thời gian tại một khu vực sẽ phụ thuộc vào những điều kiện tạo thành. Cho nên những đám mây sẽ thể hiện bản chất của những quá trình lý hóa khác nhau xảy ra trong khí quyển. Khả năng nhận biết những loại mây khác nhau và hiểu được điều kiện kết hợp giữa chúng cho phép dự báo các biến chuyển của thời tiết tương lai [1, 2].
Mặc dù hình dạng của các đám mây là vô cùng phong phú, nhưng trong ngành khí tượng học phân chúng thành các loại khác nhau cơ bản như sau. Những đám mây được chia thành 3 nhóm theo những nét đặc trưng riêng biệt và độ cao phần bố của chúng so với mực nước biển. Đó là mây tầng cao, mây tầng trung và mây tầng thấp. Bảng 2.2 dưới đây cho thấy độ cao của những đám mây so với mặt nước biển thay đổi phụ thuộc vào vĩ độ và vị trí của chúng. Nguyên nhân chủ yếu của sự thay đổi này đó là do sự khác nhau về nhiệt độ giữa các vùng này.
Bảng 2.2: Phân nhóm các tầng mây chủ yếu [15, 2].
Nhóm mây Vùng nhiệt đới Vùng ôn đới Vùng cực
Tầng cao 6 đến 18km 5 đến 13km 3 đến 8km
Tầng trung 2 đến 8km 2 đến 7km 2 đến 4km
Tầng thấp Dưới 2km Dưới 2km Dưới 2km
Trong Bảng 2. 3 chúng tôi đưa ra bảng phân hạng mây quốc tế theo hình dạng bề ngoài và độ cao của mây có vai trò ảnh hưởng tới khí hậu của Trái đất. Với mục đích là dự đoán những thay đổi trong hệ thống khí hậu thì yêu cầu cần phải theo dõi và nâng cao sự hiểu biết về sự phân bố toàn cầu của các loại mây cũng như các đặc
trưng vĩ mô và vi mô của chúng cũng như những tác động của mây tới khí hậu khu vực, khí hậu toàn cầu.
Bảng 2.3: Phân hạng mây quốc tế theo hình dạng và độ cao của mây [15, 1, 2].
Hạng mây
Ký hiệu
Độ cao trung bình chân mây ở vĩ độ
trung bình (km)
Tên gọi bằng tiếng việt Tiếng La tinh
Họ mây tầng thấp (độ cao chân mây dưới 2 km)
Mây tầng - tích Stratocumulus Sc 0,3 - 1,5
Mây tầng Stratus St 0,05 - 0,5
Mây vũ - tầng Nimbostratus Ns 0,1 - 1,0
Họ mây phát triển thẳng đứng (độ cao chân mây dưới 2 km)
Mây tích Cumulus Cu 0,3 - 1,5
Mây vũ - tích Cumulonimbus Cb 0,4 - 1,0
Họ mây tầng trung (độ cao chân mây 2-6 km)
Mây trung - tích Altocumulus Ac 2 - 6
Mây trung - tầng Altostratus As 3 - 5
Họ mây tầng trên (trên 6 km)
Mây Ci Cirrus Ci 7 - 10
Mây Ti- tích Cirrocumulus Cc 6 - 8
Mây Ti- tầng Cirrotratus Cs 6 - 8
Việc nghiên cứu về cấu trúc mây cũng như mối liên hệ giữa chúng và khả năng dự đoán sự biến đổi khí hậu trong tương lai là vấn đề phức tạp bởi hai lý do cơ bản. Thứ nhất, chúng ta biết quá trình hình thành các đám mây là rất nhanh, quá trình đó diễn ra trong thời gian ngắn và không gian mang đặc trưng địa phương bởi thế nó mang các đặc trưng thay đổi của tự nhiên khu vực. Thứ hai, tác nhân gây ra từ các quá trình tạo bởi con người ngày càng nhiều và ảnh hưởng trực tiếp tới khí hậu của Trái đất. Bởi vậy chúng ta cần nghiên cứu tất cả cơ chế của sự thay đổi khí hậu do nguyên nhân từ các quá trình hóa lý tác động tới sự hình thành và biến mất của các đám mây...[2]
Trong các đối tượng được nghiên cứu thuộc tầng khí quyển của Trái đất, đặc biệt là tầng đối lưu, thì mây là yếu tố được đặc biệt chú ý và được nghiên cứu nhiều nhất. Những kết quả nghiên cứu đó có tính thống kê cho phép sử dụng trong nhiều lĩnh vực ứng dụng khác nhau. Sự hiểu biết về tầng khí quyển bao quanh Trái đất cũng như về mây cho tới thời điểm hiện tại là khá đầy đủ cho phép chúng ta có thể dự báo sự thay đổi thời tiết mang tính địa phương cũng như trên phạm vi toàn cầu trong một thời gian dài (hiện nay theo mô hình dự báo của NASA có thể dự báo thời tiết trước 32 tháng) [1, 2, 15].
Quan sát mây trong ngành Khí tượng là cực kỳ quan trọng trong việc dự báo thời tiết phục vụ hoạt động của con người trong đó có hoạt động liên quan mật thiết là vận chuyển đường không và đường thủy…[1]. Chương trình quan sát mây bao gồm: phân định dạng mây, lượng mây tổng quan, lượng mây tầng thấp và mây phát triển thẳng đứng, vị trí phân bố tầng mây theo độ cao… Để phân định đúng dạng mây cần Atlat mây chuyên dụng. Lượng mây tổng quan ước lượng bằng mắt hoặc bằng ảnh chụp vệ tinh. Trong giới hạn luận văn, chúng tôi mô tả ngắn gọn về hình dạng các loại mây, đặc điểm của các loại mây thường gặp và trình bày chi tiết hơn về mây Ti tầng cao (hình dạng, vị trí phân bố vai trò của lớp mây Ti tới tầng khí quyển và các vấn đề khí hậu cũng như quá trình hình thành lớp mây này) [1, 2].
Trong tầng đối lưu, tầng khí quyển tính từ mặt đất lên độ cao khoảng 18 km, sự hiện diện và vai trò của các lớp mây đối với Trái đất là rất quan trọng. Sự tồn tại của chúng và những hiểu biết đầy đủ về nó là vấn đề phức tạp cần nhiều công sức tìm hiểu và nghiên cứu chi tiết. Ở đây, tôi đưa ra những thông tin khái quát về các loại mây, sự hình thành và các đặc trưng vật lý cơ bản đối với mây Ti. Trong khoảng không gian thuộc tầng đối lưu và lớp dưới của tầng bình lưu, mây Ti tồn tại trong khoảng không từ mặt đất tới khoảng cách 18 km, được chia làm 3 phân tầng cơ bản và có những loại mây tương ứng như trong Hình 2.3.
Hình 2.3: Phân bố các loại mây trong tầng đối lưu theo hiệp hội khí tượng thế giới MWO [16, 2].
Phân tầng đầu tiên với độ cao dưới 2 km có hai hình thái mây cơ bản dạng đám (cumulus) và dạng tầng (stratus), chúng thường tồn tại ở thể dày, đặc hơn nhiều so với các lớp mây tại những phân tầng khác và được chia thành 5 loại khác nhau: Mây tầng tích, mây vũ tầng, mây tích, mây tầng và mây vũ tích [16, 2]:
- Mây tầng tích (Stratocumulus - Sc): Có độ cao trung bình khoảng từ 300- 1000 m, là những lớp hoặc cuộn khá lớn. Những đám mây Sc nhỏ nhất có đường kính góc của chúng lớn hơn 5 độ và thường có màu xám, hợp thành từng đám, nhóm, đỉnh thường dẹt. Đám, màn hoặc lớp mây xám hoặc trắng nhạt, gần như bao giờ cũng có bộ phận tối, gồm những khối tròn, cuộn hình bàn cờ không có dạng sợi, đa số phần tử mây sắp xếp đều có bề rộng biến thiên lớn hơn 5 độ [16, 2].
Mây Ti(Cirrus)
Mây Titích (Cirrocumulus)
Hình 2.4: Một số hình ảnh Mây tầng tích [17, 2].
- Mây vũ tầng (Nimbostratus - Ns): Có độ cao trung bình khoảng từ 100- 1000km, có dạng là một lớp thấp hoàn toàn không định hình có màu xám, thường tối do nó khá dầy đủ để che khuất Mặt trời, mây này cho mưa thường liên tục nhưng không lớn. Mây Ns có dạng đều và thường nhìn thấy có cảm giác được chiếu sáng từ bên trong. Mây này hay gây mưa kéo dài, ở các vùng ôn đới chúng thường cho mưa tuyết. Mây Ns cũng gây ảnh hưởng đến tầm nhìn của hoạt động bay khi bay xuyên mây [2, 15, 16].
Hình 2.5: Một số hình ảnh Mây vũ tầng [17, 2].
- Mây tích (Cumulus - Cu), như hình 2.6: Có độ cao trung bình khoảng từ 300- 1500m, là những đám mây dày đặc khá tách biệt, phát triển đối lưu theo chiều thẳng đứng với những đỉnh hình vòm tròn, hoặc tháp với những chỗ lùi sùi lên trên tựa hoa cải và chân mây hầu như nằm ngang và tương đối đen. Mây Cu được cấu tạo bởi những giọt nước. Những phần đám mây được Mặt trời chiếu sáng có vẻ trắng sáng chói, ở phía đối diện thì đám mây tối. Thông thường đám mây có đường viền rõ nét và cho mưa rào.
Hình 2.6: Một số hình ảnh Mây tích [2, 19].
- Mây tầng (Stratus - St), như hình 2.7: Có độ cao trung bình khoảng từ 50- 500 m, là là một lớp mây đồng nhất không có đường viền nhất định, giống như sương mù được nâng lên trên mặt đất có màu xám. Mây này chủ yếu xuất hiện ở miền bắc Việt Nam và hình thành vào buổi sáng trong mùa đông và xuân, mây này cho mưa phùn ở miền bắc. Mây St gây trở ngại lớn cho tầm nhìn ảnh hưởng trực tiếp đến hoạt động bay ở tầng thấp.
Hình 2.7: Một số hình ảnh Mây tầng [2, 20]
- Mây vũ tích (Cumulonimbus - Cb), như hình 2.8: Có độ cao trung bình khoảng từ 400-1000km, là những khối mây tích dày đặc có độ phát triển lớn, dữ dội theo chiều thẳng đứng, nhô lên thành hình những trái núi và những ngọn tháp cao đến hàng kilomet. Phần trên của mây Cb được cấu tạo bởi những tinh thể băng. Nhiều khi chúng có kiến trúc sợi dạng gọi là đe hoặc bó hoa. Mây Cb cho mưa lớn, mưa rào to và có kèm theo rông sấm chớp. Mây Cb gồm những hạt nước và riêng ở bộ phận trên bằng tinh thể đá. Mây vũ tích là loại mây nguy hiểm sinh ra mưa lớn và sấm sét ảnh hưởng trực tiếp đến hoạt động của con người.
Hình 2.8: Một số hình ảnh Mây vũ tích [2, 21]
Lên tới phân lớp trên, độ cao từ 2 km tới 6 km, cũng tồn tại hai dạng chủ yếu là dạng đám và dạng tầng nhưng với kích thước nhỏ và mật độ các thành phần cấu thành thấp hơn nên chúng ta thấy “mờ” hơn những đám mây ở tầng thấp. Chúng được chia thành 2 loại: Mây trung tích và mây trung tầng
- Mây trung tích (Altocumulus - Ac), như hình phía dưới: Độ cao trung bình mây này từ 2-6km so với mặt đất, mây trung tích gồm có một lớp rộng lớn, những khối cầu có khả năng kết hợp với nhau. Những mảng hoặc khối cầu này có thể biến đổi độ dày và màu sắc từ ánh sáng trắng đến xám đậm. Chúng có thể xuất hiện thành những mảng riêng biệt tương tự như mây Titích, nhưng nói chung có thể phân biệt chúng bởi những mảng riêng lẻ lớn hơn. Nếu mây trung tích sẫm lại và thấp hơn, thì nó có thể gây ra sấm sét và những cơn mưa rào, nhưng nó không mang đến thời tiết xấu kéo dài.
Hình 2.9: Một số hình ảnh Mây trung tích [2, 21]
- Mây trung tầng (Altostratus - As), như hình 2. 10: Độ cao trung bình mây này từ 3-5km, chúng xuất hiện với màu xám xám hoặc xanh xanh, dải hay màn có thớ. Khi Mặt Trời hoặc Mặt Trăng bị che khuất bởi những đám mây này, sẽ xuất hiện quầng chung quanh nó như thể nó được chiếu sáng xuyên qua kính mờ. Những quầng sáng không được tạo thành. Nếu những đám mây này sẫm lại và thấp hơn, hoặc nếu
thấp, những đám mây lướt nhanh qua hoặc những đám mây vũ tầng (Nimbostratus) tạo thành bên dưới nó, mưa hoặc tuyết rơi liên tục có thể xảy ra trong vòng vài giờ.
Hình 2.10: Một số hình ảnh Mây trung tầng [2, 19]
Ở tầng trên cùng, độ cao trên 6 km và tính tới hết tầng đối lưu, sự hiện diện của mây Ti và phổ biến nhất là 3 hình dạng cơ bản: một dạng như là các lớp mỏng rất dài được gọi là mây Ti (Cirrus), một dạng hình thành từng đám gồm các bông nhỏ (Cirrocumulus) và dạng gồm nhiều dải ngắn chồng lên nhau (Cirrotratus) [1]:
- Mây Ti tích (Cirrocumulus - Cc): Độ cao trung bình khoảng từ 6-8km, mây Titích là một lớp hoặc những rặng gồm nhiều nắm nhỏ, lổn nhổn hoặc cầu trắng không có bóng. Đôi khi chúng có dạng những nếp răn hoặc vết gợn như trên bãi cát bờ biển. Mây Ti tích được cấu tạo bởi các tinh thể băng, mây này cũng không gây nguy hiểm, không ảnh hưởng đến hoạt động bay.
Hình 2.11: Một số hình ảnh Mây Ti tích [1, 2, 22]
- Mây Ti tầng (Cirrotratus - Cs), như trong hình 2.12: Độ cao trung bình khoảng từ 6-8km, mây Titầng có hình dạng giống như một màng mỏng trong suốt, trắng đục, đôi khi che phủ cả bầu trời. Nó được cấu tạo bởi tinh thể băng, không thể
nhìn thấy rõ rệt Mặt trời, Mặt trăng qua lớp mây này, mây này không ảnh hưởng đến tầm nhìn ngang cũng như không gây mưa.
Hình 2.12: Một số hình ảnh Mây Ti tầng [2, 23].
- Mây Ti (Cirrus – Ci hay Ti): Độ cao trung bình khoảng từ 7-10 km, mây Ti (tiếng La tinh Ti nghĩa là tua cuốn) là một kiểu mây có dạng đặc trưng là các dải mỏng, tương tự như nắm hay túm tóc hay đám lông vũ; thường được kèm theo là các búi hay chùm, hình đuôi ngựa. Đôi khi các đám mây Ti trải rộng đến mức chúng ta không thể phân biệt được từng đám khác nhau bằng mắt thường. Bao giờ mây Ti cũng cấu tạo bởi những tinh thể băng, mây Ti không gây nguy hiểm cho hoạt động bay và không gây mưa [1, 2].
Trong điều kiện khí hậu Việt Nam có sự phân hóa rõ rệt về 3 miền khác nhau, do vậy việc quan sát mây Ti ở các miền là khác nhau. Khí hậu Miền Bắc có rất ít ngày trời trong, mây Ti chỉ có thể quan sát bằng mắt thường vào những ngày hè trời nắng bầu trời trở nên trong xanh và có lẽ dễ quan sát hơn cả là vào những thời điểm sau các cơn mưa rào. Còn đối với Miền Trung và Miền Nam, số ngày nắng nóng tương đối nhiều trong năm, nên có nhiều ngày trời trong và cơ hội quan sát thấy mây Ti sẽ nhiều hơn.
Theo các kết quả nghiên cứu cho thấy sự hiện diện của mây Ti là phổ biến và mật độ bao phủ của chúng trên bề mặt khí quyển Trái đất là khoảng 30% [1]. Do đó mây Ti tầng cao sẽ đóng vai trò quan trọng đảm nhiệm chức năng hấp thụ bức xạ nhiệt từ Trái đất và phản xạ bức xạ đi tới từ Mặt trời. Vì thế, mây Ti trở thành tấm áo