- Gradient nhiệt theo phƣơng đứng gần bằng gradient trung bỡnh phƣơng đứng của nhiệt độ (60C/1km).
CHƢƠNG V: CHUYỂN ĐỘNG ĐỐI LƢU TRONG KHÍ QUYỂN
5.2.1. Năng lượng của độ khụng bền vững
I
IIZ Z
Hỡnh 5.3
Mức độ khụng bền vững thẳng đứng của khớ quyển cú thể đỏnh giỏ thụng qua độ lớn tổng cộng năng lƣợng của độ khụng bền vững của khối khụng khớ cho sẵn, đƣợc tiờu thụ để duy trỡ và phỏt triển những chuyển động thẳng đứng (đối lƣu) trong khối khụng khớ đú.
Độ lớn của năng lƣợng của độ khụng bền vững trong khối khụng khớ cho sẵn giữa 2 mức bất kỳ, đƣợc xỏc định bằng thực hiện một cụng đƣa khối khụng khớ dời từ mực này sang mực khỏc.
Cụng tớnh bằng lực nhõn với đƣờng đi. Giả sử một đơn vị khối lƣợng 1g di chuyển theo đƣờng thẳng đứng, khi cú tỏc động của một lực chớnh là gia tốc đối lƣu:
= g(T - T')/T' (theo 5.26) khi dịch chuyển đƣợc một đoạn đƣờng dz, thỡ cụng nguyờn tố đƣợc thực hiện:
dw = [g(T -T')/T']dz (5.31) với dz = -dp/(ρg);ρ = P/RkkT'Ta cú : Giỏo trỡnh Vật lý khớ quyển dw = -(T - T')/T'dp/ρ = -Rkk (T - T')dp/p (5.32) hoặc dw = -Rkk (T - T') d(lnp) (5.33)
Cụng toàn phần khi đƣa 1 đơn vị khối lƣợng khụng khớ từ mực cú ỏp suất p1lờn mực cú ỏp suất p2 là: 2 1 ) (ln ) ( P P kk T T d p R w (5.34)
Theo (5.33) xõy dựng giản đồ ờma - Đồ thị đƣờng đoạn nhiệt đặc biệt. Trục tung đặt thang logarit của ỏp suất giảm theo hƣớng lờn trờn, trục hoành thang nhiệt độ tăng từ trỏi sang phải.
- 200 -100 00 100 200 TLnp Lnp 600 700 800 900 1000 2 1 5 Hỡnh 5.4
- Vẽ cỏc đƣờng đoạn nhiệt khụ (đƣờng liền).
- Vẽ cỏc đƣờng đoạn nhiệt ẩm (đƣờng nột đứt).
- Cỏc đƣờng độ ẩm riờng cực đại cú đỏnh số 1, 2, 5 [g/kg] độ dốc lớn.
Những đƣờng độ ẩm riờng cực đại dựng để xỏc định mực ngƣng kết. Trờn mực này diễn ra sự chuyển tiếp từ đƣờng đoạn nhiệt khụ sàn đƣờng đoạn nhiệt ẩm.
Khụng khớ bốc lờn, thỡ trƣớc hết nhiệt độ của nú biến đổi theo đoạn nhiệt khụ, ở một độ cao nào đú khụng khớ bốc lờn lạnh đi, đến lờn lạnh đi, đến điểm sƣơng, tức trở lờn bóo hũa. Mực này gọi là mực ngƣng kết.
103102 102
Giỏo trỡnh Vật lý khớ quyển
1) > a > 'a: Đú là trƣờng hợp khụng bền vững tuyệt đối đối với khụng khớ ẩm (bóo hoà) cũng nhƣ đối với khụng khớ khụ.
2) < 'a < a: Tầng kết tuyệt đối bền vững.
3) a > > 'a: Tầng kết là bền vững đối với khụng khớ khụ, cũn
khụng bền vững đối với khụng khớ ẩm. Đú là trạng thỏi khụng bền vững ẩm.
5.2. Năng lƣợng của độ khụng bền vững, cỏc quỏ trỡnh đoạn nhiệt giả và độ cao mực ngƣng kết đoạn nhiệt giả và độ cao mực ngƣng kết
5.2.1. Năng lượng của độ khụng bền vững
I
IIZ Z
Hỡnh 5.3
Mức độ khụng bền vững thẳng đứng của khớ quyển cú thể đỏnh giỏ thụng qua độ lớn tổng cộng năng lƣợng của độ khụng bền vững của khối khụng khớ cho sẵn, đƣợc tiờu thụ để duy trỡ và phỏt triển những chuyển động thẳng đứng (đối lƣu) trong khối khụng khớ đú.
Độ lớn của năng lƣợng của độ khụng bền vững trong khối khụng khớ cho sẵn giữa 2 mức bất kỳ, đƣợc xỏc định bằng thực hiện một cụng đƣa khối khụng khớ dời từ mực này sang mực khỏc.
Cụng tớnh bằng lực nhõn với đƣờng đi. Giả sử một đơn vị khối lƣợng 1g di chuyển theo đƣờng thẳng đứng, khi cú tỏc động của một lực chớnh là gia tốc đối lƣu:
= g(T - T')/T' (theo 5.26) khi dịch chuyển đƣợc một đoạn đƣờng dz, thỡ cụng nguyờn tố đƣợc thực hiện:
dw = [g(T -T')/T']dz (5.31) với dz = -dp/(ρg);ρ = P/RkkT'Ta cú : Giỏo trỡnh Vật lý khớ quyển dw = -(T - T')/T'dp/ρ = -Rkk (T - T')dp/p (5.32) hoặc dw = -Rkk (T - T') d(lnp) (5.33)
Cụng toàn phần khi đƣa 1 đơn vị khối lƣợng khụng khớ từ mực cú ỏp suất p1lờn mực cú ỏp suất p2 là: 2 1 ) (ln ) ( P P kk T T d p R w (5.34)
Theo (5.33) xõy dựng giản đồ ờma - Đồ thị đƣờng đoạn nhiệt đặc biệt. Trục tung đặt thang logarit của ỏp suất giảm theo hƣớng lờn trờn, trục hoành thang nhiệt độ tăng từ trỏi sang phải.
- 200 -100 00 100 200 TLnp Lnp 600 700 800 900 1000 2 1 5 Hỡnh 5.4
- Vẽ cỏc đƣờng đoạn nhiệt khụ (đƣờng liền).
- Vẽ cỏc đƣờng đoạn nhiệt ẩm (đƣờng nột đứt).
- Cỏc đƣờng độ ẩm riờng cực đại cú đỏnh số 1, 2, 5 [g/kg] độ dốc lớn.
Những đƣờng độ ẩm riờng cực đại dựng để xỏc định mực ngƣng kết. Trờn mực này diễn ra sự chuyển tiếp từ đƣờng đoạn nhiệt khụ sàn đƣờng đoạn nhiệt ẩm.
Khụng khớ bốc lờn, thỡ trƣớc hết nhiệt độ của nú biến đổi theo đoạn nhiệt khụ, ở một độ cao nào đú khụng khớ bốc lờn lạnh đi, đến lờn lạnh đi, đến điểm sƣơng, tức trở lờn bóo hũa. Mực này gọi là mực ngƣng kết.
103102 102
Lnpp2 p2 p1 H D M N (F >0) C T E B T' A T F Khu năng l ợng âm (F<0) (bền vững)) Hỡnh 5.5
Muốn tỡm năng lƣợng của độ khụng bền vững, trờn giản đồ ờma trống ngƣời ta vẽ một đƣờng gẫy khỳc biểu diễn tầng kết nhiệt của khớ quyển theo số liệu quan trắc. Vớ dụ đƣờng ABCD, cũn đƣờng AE đoạn nhiệt khụ, EH đoạn nhiệt ẩm.
Giả sử khối khụng khớ bốc lờn, trƣớc hết bị lạnh đi theo quy luật đoạn nhiệt khụ AE, sau đú đạt tới mực ngƣng kết ở điểm E thỡ biến đổi theo đoạn nhiệt ẩm EH.
Đƣờng ABCD cú nhiệt độ T' quan trắc đƣợc. Đƣờng AEH cú nhiệt độ T.
Vớ dụ cú dải MN thỡ chiều dài là T - T ', chiều rộng là (- dlnp) diện tớch dải nhỏ là [(T - T')dlnp] tỷ lệ với cụng nguyờn tố dw thực hiện trờn đoạn đƣờng dz cụng toàn phần từ p1đến p2 là
diện tớch đỏnh dấu (F).
Nếu đƣờng tầng kết nằm bờn trỏi đƣờng đoạn nhiệt thỡ khớ quyển khụng bền vững, diện tớch F > 0, tức là khối khụng khớ cú năng lƣợng của độ khụng bền vững, đảm bảo cho đối lƣu thẳng đứng diễn ra. Nếu tầng kết nằm bờn phải thỡ khớ quyển cú tầng kết bền vững, năng lƣợng của độ khụng bền vững õm (F < 0). Do đú, để tạo thành gia tốc thẳng đứng cần cú cụng của lực bờn ngoài nhƣ năng lƣợng mặt trời dồn tới.
ư
5.2.2.Những quỏ trỡnh đoạn nhiệt giả
Giả sử khối khụng khớ khụ bốc lờn một cỏch đoạn nhiệt khụ tới một độ cao nào đú dƣới mực ngƣng kết, rồi sau đú hạ xuống, trở về vị trớ ban đầu:
Cả quỏ trỡnh thuận (bốc lờn) và nghịch (hạ xuống), khối khụng khớ cho sẵn đú đi qua những trạng thỏi (khỏc nhau) trung gian. Nhiệt độ khụng khớ ở cựng những độ cao khi bốc lờn và hạ xuống đều là một và khụng khớ trở về vị trớ ban đầu với nhiệt độ mà nú bắt đầu bốc lờn gọi là quỏ trỡnh thuận nghịch.
Khi khụng khớ bóo hoà bốc lờn và hạ xuống thỡ quỏ trỡnh chỉ thuận nghịch khi những vật phẩm ngƣng kết của hơi nƣớc (những giọt nƣớc nhỏ hoặc tinh thể băng) hỡnh thành ra, (khi khụng khớ lạnh đi đoạn nhiệt) sẽ ở lại bờn trong thể tớch chiếm bởi khối khụng khớ cho sẵn, và sẽ tham gia vào tất cả cỏc chuyển động của nú. Trong trƣờng hợp này, ẩn nhiệt toả ra khi bốc lờn do kết quả ngƣng kết sẽ lại đƣợc tiờu thụ để làm bốc hơi những vật phẩm ngƣng kết trong thời gian khối khụng khớ hạ xuống.
Song trong tự nhiờn, cỏc vật phẩm ngƣng kết thƣờng hay rơixuống từ khối khụng khớ bốc lờn dƣới dạng mƣa hoặc tuyết, do đú quỏ trỡnh trở nờnkhụng thuận nghịch.
Khi khụng khớ bốc lờn đi theo đƣờng đoạn nhiệt ẩm và khi hạ xuống, nhiệt độ của nú biến đổi theo đoạn nhiệt khụ (vỡ nú sẽ giữ khụng đổi độ ẩm riờng của nú, cụ thể là độ ẩm ở điểm lờn cao nhất của nú, khi đú khụng khớ sẽ ngày càng xa trạng thỏi bóo hoà do núng lờn dần dần). Những quỏ trỡnh khụng thuận nghịch nhƣ vậy gọi là quỏ trỡnh đoạn nhiệt giả.
Vớ dụ hiện tƣợng khụng khớ ẩm tràn qua một dóy nỳi, giả sử dóy nỳi cú độ cao 3000m, khụng khớ bờn sƣờn đún giú cú nhiệt độ
T = 150 và sức trƣơng hơi nƣớc e = 12,8 mmHg (17,042mb, f = 100%) trong khi chuyển động gặp sƣờn nỳi, bốc lờn dọc theo sƣờn
nỳi (Hỡnh 5.6).
105104 104
Lnpp2 p2 p1 H D M N (F >0) C T E B T' A T F Khu năng l ợng âm (F<0) (bền vững)) Hỡnh 5.5
Muốn tỡm năng lƣợng của độ khụng bền vững, trờn giản đồ ờma trống ngƣời ta vẽ một đƣờng gẫy khỳc biểu diễn tầng kết nhiệt của khớ quyển theo số liệu quan trắc. Vớ dụ đƣờng ABCD, cũn đƣờng AE đoạn nhiệt khụ, EH đoạn nhiệt ẩm.
Giả sử khối khụng khớ bốc lờn, trƣớc hết bị lạnh đi theo quy luật đoạn nhiệt khụ AE, sau đú đạt tới mực ngƣng kết ở điểm E thỡ biến đổi theo đoạn nhiệt ẩm EH.
Đƣờng ABCD cú nhiệt độ T' quan trắc đƣợc. Đƣờng AEH cú nhiệt độ T.
Vớ dụ cú dải MN thỡ chiều dài là T - T ', chiều rộng là (- dlnp) diện tớch dải nhỏ là [(T - T')dlnp] tỷ lệ với cụng nguyờn tố dw thực hiện trờn đoạn đƣờng dz cụng toàn phần từ p1đến p2 là
diện tớch đỏnh dấu (F).
Nếu đƣờng tầng kết nằm bờn trỏi đƣờng đoạn nhiệt thỡ khớ quyển khụng bền vững, diện tớch F > 0, tức là khối khụng khớ cú năng lƣợng của độ khụng bền vững, đảm bảo cho đối lƣu thẳng đứng diễn ra. Nếu tầng kết nằm bờn phải thỡ khớ quyển cú tầng kết bền vững, năng lƣợng của độ khụng bền vững õm (F < 0). Do đú, để tạo thành gia tốc thẳng đứng cần cú cụng của lực bờn ngoài nhƣ năng lƣợng mặt trời dồn tới.
ư
5.2.2.Những quỏ trỡnh đoạn nhiệt giả
Giả sử khối khụng khớ khụ bốc lờn một cỏch đoạn nhiệt khụ tới một độ cao nào đú dƣới mực ngƣng kết, rồi sau đú hạ xuống, trở về vị trớ ban đầu:
Cả quỏ trỡnh thuận (bốc lờn) và nghịch (hạ xuống), khối khụng khớ cho sẵn đú đi qua những trạng thỏi (khỏc nhau) trung gian. Nhiệt độ khụng khớ ở cựng những độ cao khi bốc lờn và hạ xuống đều là một và khụng khớ trở về vị trớ ban đầu với nhiệt độ mà nú bắt đầu bốc lờn gọi là quỏ trỡnh thuận nghịch.
Khi khụng khớ bóo hoà bốc lờn và hạ xuống thỡ quỏ trỡnh chỉ thuận nghịch khi những vật phẩm ngƣng kết của hơi nƣớc (những giọt nƣớc nhỏ hoặc tinh thể băng) hỡnh thành ra, (khi khụng khớ lạnh đi đoạn nhiệt) sẽ ở lại bờn trong thể tớch chiếm bởi khối khụng khớ cho sẵn, và sẽ tham gia vào tất cả cỏc chuyển động của nú. Trong trƣờng hợp này, ẩn nhiệt toả ra khi bốc lờn do kết quả ngƣng kết sẽ lại đƣợc tiờu thụ để làm bốc hơi những vật phẩm ngƣng kết trong thời gian khối khụng khớ hạ xuống.
Song trong tự nhiờn, cỏc vật phẩm ngƣng kết thƣờng hay rơixuống từ khối khụng khớ bốc lờn dƣới dạng mƣa hoặc tuyết, do đú quỏ trỡnh trở nờnkhụng thuận nghịch.
Khi khụng khớ bốc lờn đi theo đƣờng đoạn nhiệt ẩm và khi hạ xuống, nhiệt độ của nú biến đổi theo đoạn nhiệt khụ (vỡ nú sẽ giữ khụng đổi độ ẩm riờng của nú, cụ thể là độ ẩm ở điểm lờn cao nhất của nú, khi đú khụng khớ sẽ ngày càng xa trạng thỏi bóo hoà do núng lờn dần dần). Những quỏ trỡnh khụng thuận nghịch nhƣ vậy gọi là quỏ trỡnh đoạn nhiệt giả.
Vớ dụ hiện tƣợng khụng khớ ẩm tràn qua một dóy nỳi, giả sử dóy nỳi cú độ cao 3000m, khụng khớ bờn sƣờn đún giú cú nhiệt độ
T = 150 và sức trƣơng hơi nƣớc e = 12,8 mmHg (17,042mb, f = 100%) trong khi chuyển động gặp sƣờn nỳi, bốc lờn dọc theo sƣờn
nỳi (Hỡnh 5.6).
105104 104
Hỡnh 5.6
Khi bốc lờn nú lạnh đi theo quy luật đoạn nhiệt ẩm, khoảng
0,50/100m, thỡ trờn đỉnh nỳi nhiệt độ khụng khớ là 00C, cũn sức trƣơng hơi nƣớc e (tƣơng đƣơng với trạng thỏi bóo hoà) là
4,6mmHg (6,1 mb). Hơi nƣớc cũn lại chứa trong khụng khớ (12,8
–4,6 = 8,2 mmHg) sẽ phải ngƣng kết lại. Nếu hơi ẩm ngƣng kết rơi xuống toàn bộ dƣới dạng mƣa trờn sƣờn đún giú thỡ khụng khớ hạ xuống theo sƣờn khuất giú khụng cũn bóo hoà nữa. Nhiệt độ của nú sẽ tăng theo quy luật đoạn nhiệt khụ đƣợc 10 trờn 100m và khụng
khớ xuống tới chõn nỳi với nhiệt độ T = 300C. Sức trƣơng hơi nƣớc e vẫn giữ nguyờn nhƣ ở trờn đỉnh nỳi 4,6mmHg, trong trƣờng hợp mà khụng cú sự biến đổi của khớ ỏp. Cũn nếu kể cả sự tăng khớ ỏp từ 3000m xuống chõn nỳi thỡ sức trƣơng hơi nƣớc e sẽ là
6,6mmHg.
Sức trƣơng bóo hoà ở nhiệt độ 300C là 31,8mm. Do đú, độ ẩm tƣơng đối của khụng khớ hạ xuống cũn f = 20% thụi.
Dũng khụng khớ đi xuống đú, kốm với nhiệt độ cao, độ khụ lớn và trời quang gọi là giú phơn (quan sỏt thấy ở miền nỳi).
Từ 3000m xuống, ỏp suất khụng khớ tăng lờn dp = -ρgdz
dp = -[p/(RkkT)]gdz
Sức trƣơng hơi nƣớc e tăng lờn:
de = -[e/(RkkT)]gdz = 2 mmHg, (e = 4,6mmHg, T = 300, dp = de).