CHƯƠNG III CƠ SỞ NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC KHÍ QUYỂN
3.3 Tuần hoàn của nước trong thiên nhiên
3.3.3 Nước rơi khí quyển
Nước rơi khí quyển (hay còn gọi là giáng thủy) là khâu thứ ba của quá trình tuần hoàn nước. Nước rơi khí quyển tức là nước từ thể hơi chuyển sang thể lỏng hoặc rắn lớn dần lên và rơi trong khí quyển từ một độ cao nào đó về phía bề mặt trái đất. Chúng ta gọi lượng nước dưới dạng lỏng hoặc rắn nói trên đạt đến bề mặt trái đất là mưa.
Những đặc trưng cơ bản nhất của mưa là lượng mưa và cường độ mưa. Lượng mưa là độ dày của lớp nước mưa trên mặt nằm ngang mà chưa bị mất đi vì bất cứ lý do gì (như bốc hơi, ngấm, chảy...). Cường độ mưa được tính bằng lượng mưa trong một đơn vị thời gian.
Trong lĩnh vực thủy văn, thủy lợi các đặc trưng của mưa quan trọng thường được sử dụng là: mưa trung bình năm (trong tính toán trữ lượng nước, cân bằng nước...); mưa thời đoạn ngắn (mưa 15, 30 phút dùng tính toán xói mòn đất; mưa giờ dùng trong tính lũ, mưa ngày dùng trong tính nhu cầu dùng nước...); mưa thời đoạn dài (mưa 1, 3, 5, 7 ngày max, dùng cho tính tiêu).
1) Sự hình thành mưa - Phân loại mưa a) Điều kiện hình thành mưa
Muốn có mưa thì trước hết phải có mây, tức là trong khí quyển phải có ngưng kết để tạo thành các phần tử mây Từ mây phải có một bước nhảy vọt về sự lớn lên của các phần tử mây để có đủ trọng lượng thắng lực đẩy Asimét hoặc lực đẩy của các dòng đối lưu đi lên trong khí quyển để rơi xuống, tạo thành nước rơi khí quyển. Cuối cùng, nước rơi khí quyển phảI có đạt tới bề mặt trái đất để tạo thành mưa.
Vấn đề bốc hơi, ngưng kết, mây đã được xem xét kỹ ở các tiết trước; dưới đây chúng ta sẽ đề cập đến quá trình lớn lên của các phần tử mây. Có thể khái quát sự lớn lên của các phần tử mây bằng hai cách sau đây:
- Lớn lên do ngưng kết trực tiếp
+ Khi độ ẩm không khí đạt tới quá bão hoà thì hiện tượng ngưng kết xảy ra trên bề mặt giọt nước và giọt nước đó lớn lên. Có thể minh họa điều đó như sau:
Gọi mật độ hơi nước ngay sát trên bề mặt giọt nước là ag, mật độ hơi nước ở môi trường xung quanh là ak thì điều kiện để có ngưng kết trực tiếp là ak > ag, tức là độ ẩm xung quanh giọt nước đạt tới quá bão hoà so với mặt giọt nước; còn nếu ag > ak thì khi đó giọt nước bốc hơi cung cấp thêm lượng ẩm cho môi trường xung quanh.
Trong quá trình ngưng kết trực tiếp, tốc độ thay đổi của bán kính giọt nước cho bởi công thức:
d t
r dg
= D
n k ag
a ρ
−
Trong đó: D là hệ số khuếch tán phân tử; ρn là mật độ hơi nước.
+ Giọt nước có thể lớn lên do chuyển dịch khuyếch tán, tức là do hiện tượng nước từ giọt này bốc hơi vào không khí rồi chuyển sang ngưng kết trực tiếp trên giọt khác.
Nếu gọi Er là sức trương hơi nước bão hòa trên bề mặt giọt nước và E∞ là sức trương hơi nước bão hòa trên bề mặt nước phẳng thì:
Er = E∞ . rr
C
e
Trong đó: Cr là hệ số phụ thuộc nhiệt độ: Cr = 0,52.10-7 khi t = 0oC; Cr = 0,47.10-7 khi t
= 20oC.
Tức là: giọt nước nhỏ đòi hỏi lượng hơi nước nhiều hơn để bão hoà so với giọt nước lớn; do đó trong không gian giọt nước nhỏ thường bay hơi chuyển sang ngưng kết trên các giọt nước lớn, hoặc chuyển sang ngưng kết trên các hạt băng và nhờ vậy các giọt nước lớn, các tinh thể băng tiếp tục lớn lên.
- Lớn lên do kết dính
+ Có thể do chuyển động hỗn loạn làm cho các giọt nước tụ họp, chập lại với nhau thành giọt nước lớn hơn. Sự lớn lên theo cách này xảy ra thường chậm chạp.
+ Có thể do chuyển động loạn lưu mà các giọt nước tiếp xúc với nhau và lớn lên.
+ Có thể do các giọt nước có tích điện khác dấu có khả năng hút nhau làm thành những giọt nước lớn hơn.
+ Kết dính trọng lực: sự lớn lên của các phần tử mây do kết dính theo các cách trên đây chỉ đóng vai trò thứ yếu trong qúa trình hình thành nước rơi khí quyển; vai trò chủ yếu của nó là sự lớn lên do kết dính trọng lực. Kết dính trọng lực xảy ra khi các giọt nước có kích thước và trọng lượng khác nhau rơi xuống với tốc độ khác nhau.
Giọt nước lớn có tốc độ rơi lớn hơn và đuổi kịp các giọt nước nhỏ rơi xuống trước nó.
Nếu đảm bảo độ ẩm của không khí lớn hơn 90% thì kết dính sẽ xảy ra khi 2 giọt nước lớn và nhỏ có kích thước không chênh lệch nhau nhiều lắm; ngược lại kết dính sẽ không xảy ra khi giọt nước nhỏ hơn có kích thước quá bé so với giọt nước lớn và khi đó giọt nước nhỏ sẽ theo dòng không khí lùi lại phía sau.
Hình (3-47a): biểu thị qúa trình xảy ra kết dính trọng lực; hình (3-47b): biểu thị qúa trình không xảy ra kết dính trọng lực.
Tất nhiên, để có được nước rơi khí quyển, các phần tử mây từng lúc, từng nơi có thể lớn lên bằng các cách riêng rẽ hoặc kết hợp các cách trên đây cùng một lúc.
2 2
2
2 a) b) Hình 3-47
b) Sự hình thành mưa tuyết
1
1
Từ điều kiện để hình thành mưa, có thể nhận thấy: các phần tử mây (các giọt nước, các tinh thể băng trong mây) sẽ khó lớn lên nếu như chúng có kích thước đồng nhất hoặc kích thước chênh lệch nhau quá lớn; các phần tử mây cũng khó lớn lên nếu chúng gồm toàn những giọt nước hay toàn những tinh thể băng. Sở dĩ như vậy bởi vì khi đó sự lớn lên của các phần tử mây do ngưng kết trực tiếp và do kết dính đều khó thực hiện.
Kết luận này cho phép chúng ta hiểu được tại sao các loại mây cao như Ci, Cs, Cc (các phần tử mây chỉ gồm các tinh thể băng và độ ẩm nhỏ), các loại mây như Cu mỏng dẹt, As (các phần tử mây chỉ gồm các giọt nước tương đối đồng đều) thường không cho mưa. Trong khi đó, các loại mây như St, Sc (các phần tử mây gồm gồm các giọt nước có kích thước tương đối không đồng đều) cũng có thể cho mưa nếu chúng tồn tại lâu trên bầu trời.
Trên thực tế sự hình thành mưa chủ yếu ở các loại mây có các phần tử mây bao gồm hỗn hợp các hạt băng và các giọt nước có kích thước khác nhau như mây Cb, Ns, As với độ dày lớn.
Sự hình thành mưa tuyết từ các loại mây dạng vũ (Cb, Ns) có thể mô tả tóm tắt như sau:
Phần trên của mây được tập hợp bởi các phần tử mây là các tinh thể băng; phần giữa của mây là hỗn hợp của các giọt nước quá lạnh và các tinh thể băng; còn phần dưới của mây bao gồm các giọt nước nhỏ. Trong các đám mây này, các phần tử mây này sẽ lớn lên bằng cách chuyển từ các giọt nước sang tinh thể băng tạo thành các bản băng hình sao, gọi là sao tuyết. Hơi nước tiếp tục ngưng kết vào những cánh sao nhô ra của sao tuyết tạo thành những hoa tuyết. Các hoa tuyết này rơi xuống qua các vùng có các giọt nước và tiếp tục được lớn lên; càng lớn lên càng rơi xuống nhanh hơn. Trong qúa trình rơi các hoa tuyết va chạm vào nhau và kết dính thành các bông tuyết lớn. Các bông tuyết này tiếp tục rơi, khi gặp các lớp không khí có nhiệt độ lớn hơn 0oC ở bên dưới các bông tuyết tan dần ra thành các giọt nước và rơi xuống mặt đất dưới dạng lỏng gọi là mưa.
Nếu các lớp không khí dưới nó có nhiệt độ nhỏ hơn 0oC, nhất là nhiệt độ không khí giữa mây và mặt đất đều nhỏ hơn 0oC, thì các hoa tuyết, bông tuyết sẽ đạt đến mặt đất dưới dạng tuyết rơi. Nếu tuyết đang tan đạt tới bề mặt trái đất thì gọi là tuyết ướt.
c) Phân loại mưa
- Phân loại theo hình dạng bề ngoài:
Căn cứ vào hình dạng bên ngoài người ta chia ra các dạng mưa sau:
+ Tuyết: tuyết bao gồm các loại giáng thủy dưới dạng sao tuyết, hoa tuyết, bông tuyết. Trước khi tuyết rơi, đôi khi cả trong lúc tuyết rơi, thường quan sát thấy có các viên tuyết, hạt tuyết màu trắng đục. Viên tuyết có kích thước từ 2 đến 5 mm, hạt tuyết có kích thước nhỏ hơn 1 mm.
+ Mưa băng: mưa băng là những hạt mưa hình cầu, rắn và trong suốt, đường kính hạt mưa từ 1 đến 3 mm; hoặc các viên băng nhỏ mặt ngoài trong suốt, ở giữa có lõi màu trắng, đường kính từ 2 đến 5 mm. Khi trời băng giá còn quan sát thấy các tinh thể băng trong suốt có kích thước nhỏ dưới dạng các kim băng.
+ Mưa thường: mưa thường là giáng thủy dưới dạng các giọt nước có kích thước khác nhau. Đường kính trung bình của các giọt nước từ 0,5 ÷ 7 mm.
Giữa tuyết, mưa băng và mưa có dạng mưa trung gian sau đây:
+ Tuyết ướt: tuyết ướt đó là giáng thủy dưới dạng tuyết đang tan hay tuyết lẫn dạng mưa thường.
+ Mưa đá: trong các cơn mưa giông đầu mùa thường có kèm theo các cục nước đá có kích thước trung bình từ 6 ÷ 50 mm, có khi tới mấy chục cm hoặc hơn nữa rơi xuống - Đó là mưa đá. Cục mưa đá bao gồm các lớp trong suốt và không trong suốt xen kẽ nhau. Sự hình thành mưa đá như sau:
Từ đỉnh các đám mây vũ tích, các tinh thể băng rơi xuống vào các miền mà phần tử mây gồm các giọt nước. Các giọt nước này bao quanh lấy các tinh thể băng thành một màng mỏng. Các tinh thể băng đã được nước bao quanh này có thể gặp các dòng thăng đi lên và bị đưa về mực băng kết và màng nước sẽ đông kết thành lớp trong nếu như độ ẩm của môi trường đầy đủ; nếu độ ẩm của môi trường không đầy đủ, tức là chưa đạt tới trạng thái bão hoà thì màng nước đó kết thành lớp xốp màu trắng đục. Sau đó tinh thể đó lại tiếp tục rơi xuống và lại bị dòng đối lưu đưa lên... tức là có thể thực hiện chu kỳ nói trên nhiều lần. Kết quả là tinh thể đó lớn lên và có cấu tạo những lớp trong đục xen kẽ và rơi xuống bề mặt đất. Như vậy, muốn có mưa đá thì cục đá phải có kích thước đủ lớn để không bị tan hết ra thành nước trước khi đạt tới mặt đất. Mưa đá xảy ra khi nhiệt độ không khí lớn hơn 0oC. Mưa đá rất có tác hại đối với mùa màng.
- Phân loại theo đặc điểm rơi và cường độ mưa
Theo đặc điểm rơi và cường độ mưa, người ta phân thành ba dạng:
+ Mưa dầm: mưa dầm là loại mưa có thời gian mưa kéo dài và cường độ mưa ít thay đổi. Mưa dầm rơi dưới dạng giọt nước kích thước trung bình.
+ Mưa rào: đặc điểm của mưa rào là mưa bắt đầu và kết thúc một cách đột ngột, thời gian mưa ngắn, cường độ mưa lớn, hạt mưa to đôi khi kèm theo mưa đá.
+ Mưa phùn: đặc điểm của mưa phùn là hạt mưa rất nhỏ (đường kính hạt mưa nhỏ hơn 0,5 mm), rơi rất chậm và bay lơ lửng trong không khí. ở nước ta mưa phùn là một đặc trưng rất đặc sắc ở Bắc Bộ.
d) Các họ mây và mưa do chúng gây ra - Mưa nhân tạo - Các họ mây cơ bản cho mưa
* Họ mây tằng (St, Sc): Mây tằng mỏng phát triển trong điều kiện chuyển động thẳng đứng nhỏ, phần tử mây chỉ gồm các giọt nước có bán kính nhỏ hơn 10 μ. Nếu mây tồn tại lâu trên bầu trời thì phần tử mây chỉ có thể lớn lên đến cỡ 20 μ đến 30 μ và trên đường rơi của nó sự lớn lên do kết dính cũng chỉ có kích thước lên tới 100 μ đến 200 μ. Với kích thước của các giọt nước này chỉ cho mưa dưới dạng mưa phùn.
* Họ mây vũ tằng (Ns): Mây vũ tằng có bề dày lớn phát triển trong điều kiện chuyển động thẳng đứng lớn. Bán kính của phần tử mây vũ tằng có kích thước 0,5 mm đến 0,7 mm. Mây này tồn tại lâu sẽ cho mưa dầm.
* Họ mây tích (Cu, Cuhum, Cumed, Cucong): Mây tích phát triển trong điều kiện chuyển động đối lưu. Khi không khí chuyển động lên cao các giọt nước sẽ có điều kiện lớn lên mạnh mẽ vì nhiệt độ luôn luôn giảm thấp và độ ẩm luôn đảm bảo điều
kiện bão hoà. Khi chiều dày mây phát triển đến độ cao dưới 3 km (khi đó là mây Cuhum, Cumed) thì không cho mưa đến bề mặt trái đất; nhưng khi chiều dày mây phát triển đến độ cao lớn hơn 3 km (khi đó là mây Cucong) thì bán kính của các phần tử mây có kích thước lớn hơn 1 mm đến 2 mm. Khi đó mây sẽ cho mưa dưới dạng mưa rào.
* Họ mây vũ tích (Cb): Mây vũ tích có đỉnh cao từ 8 km đến 10 km, chân mây ở độ cao từ 2 km đến 3 km. Bán kính các phần tử mây của mây vũ tích có kích thước từ 3 đến 5 mm. Mây vũ tích Cb tạo nên mưa rào với cường độ rất lớn; có trận mưa rào có lượng mưa đạt tới 100 mm đến 200 mm. Mưa rào thường kết thúc một cách khá nhanh chóng, song nhiều trường hợp khi độ ẩm của mây được bổ sung từ bên ngoài (có bình lưu ẩm) thì mưa rào có thể kéo dài tới vài ba giờ hoặc hơn nữa.
- Mưa nhân tạo:
Nguyên tắc chung để làm mưa nhân tạo là tạo điều kiện làm lạnh, tăng cường độ ẩm, tăng cường hạt nhân ngưng kết trong đám mây có khả năng cho mưa. Dựa vào nguyên tắc này, người ta đã dùng các phương pháp hiện đại làm thay đổi trạng thái tổ hợp của các phần tử mây như biến các giọt nước quá lạnh thành các tinh thể băng, hoặc làm các phần tử mây lớn lên v.v...
Thông thường, người ta thả bóng thám không chọn các đám mây vũ tích có độ chứa nước lớn, sau đó thả vào đó một trong các chất sau đây:
+ Băng khô hay CO2 cứng: băng khô hay CO2 cứng này bốc hơi nhanh làm nhiệt độ không khí các vùng lân cận nó giảm xuống rất mạnh, do đó các giọt nước kể cả các giọt nước quá lạnh cũng nhanh chóng kết thành những phần tử băng; các phần tử này lớn lên rơi xuống thành mưa.
+ IAg và IPb hay các chất đồng hình của chúng để đóng vai trò nhân đông kết.
Nếu các phần tử mây có nhiệt độ chừng - 12oC thì các giọt nước này cũng có thể bị đông kết. Nhờ có nhân đông kết nhân tạo mà qúa trình đông kết xảy ra và các phần tử mây lớn dần lên và rơi xuống thành mưa.
+ Các giọt nước có pha NaCl: các giọt nước này sẽ là các trung tâm hút ẩm và lớn dần lên tạo thành mưa - mưa nhỏ.
Trong ba cách gây mưa trên đây, băng khô hay CO2 cứng tạo mưa có hiệu quả hơn cả. Tuy nhiên, để có một trận mưa nhân tạo, quả thật là tốn kém. Hiện nay con người đang cố gắng nghiên cứu để hạ giá thành trong việc làm mưa nhân tạo bởi vì không xa nữa việc làm mưa nhân tạo sẽ là một trong những công việc cần thiết cho nhu cầu sống và sản xuất của con người.
2) Sự phân bố mưa theo thời gian và không gian a) Biến trình ngày:
Diễn biến hàng ngày của mưa có hai kiểu chính:
- Kiểu lục địa (dạng kép): có 2 cực đại và 2 cực tiểu: cực đại chính xảy ra vào sau buổi trưa (do mây phát triển theo chiều thẳng đứng), cực đại phụ xảy ra vào buổi sáng sớm (do mây tằng); cực tiểu chính xảy ra vào gần nửa đêm (khi đó ít mây), cực tiểu phụ xảy ra vào trước trưa (do mây phát triển song chưa cho mưa).
- Kiểu biển (dạng đơn): có 1 cực đại và 1 cực tiểu: cực đại xảy ra vào ban đêm khi gradien nhiệt độ thẳng đứng trên biển tăng lên tạo ra trạng thái bất ổn định, do đó nhiều mây và mưa nhiều, cực tiểu phụ xảy ra vào ban ngày khi mặt biển khá mát.
b) Biến trình năm:
Diễn biến hàng năm của mưa muôn hình muôn vẻ và phụ thuộc nhiều vào nhân tố khí hậu. Có thể phân ra các kiểu biến trình năm của lượng mưa như sau:
- Kiểu xích đạo (từ 10oB ÷ 10oN): biến trình có dạng kép với 2 cực đại vào sau ngày xuân phân và thu phân và 2 cực tiểu vào sau ngày hạ chí và đông chí.
- Kiểu nhiệt đới (10oB(N) đến 30o B(N)): diễn biến hàng năm của mưa chia làm 2 mùa rõ rệt: mùa mưa cả 4 tháng mùa hạ, còn mùa khô là các tháng còn lại.
- Kiểu cận nhiệt đới (30oB(N) đến 40o B(N)): biến trình có dạng đơn với lượng mưa hàng năm hầu như không đáng kể.
- Kiểu ôn đới và cực đới (40oB(N) đến 90o B(N)): diễn biến hàng năm của mưa có dạng đơn và được chia làm 2 kiểu:
+ Kiểu lục địa: cực đại quan sát thấy vào mùa hạ, cực tiểu vào mùa đông (vì mùa hạ trên lục địa qúa trình phát triển theo chiều thẳng đứng mạnh tạo mây cho mưa rào).
+ Kiểu biển: cực đại quan sát thấy vào mùa đông, cực tiểu vào mùa hạ (vì mùa đông trên biển qúa trình phát triển theo chiều thẳng đứng mạnh tạo mây cho mưa rào).
c) Sự phân bố mưa theo địa lý
Lượng mưa trung bình năm trên bề mặt trái đất khoảng 1.000 mm, song lại phân bố rất không đồng đều.
- Theo vĩ độ địa lý thì lượng mưa năm cực đại quan sát thấy ở vùng xích đạo, trung bình 1.000 mm đến 2.000 mm/năm (có khi lên tới 5.000 mm đến 6.000 mm/năm như trên các đảo thuộc Thái Bình Dương, hoặc đạt tới 10.000 mm/năm trên các sườn núi chắn gió ẩm).
- Từ xích đạo đến các vùng vĩ độ cận nhiệt đới, lượng mưa năm giảm dần và đạt giá trị cực tiểu với trị số nhỏ hơn 500 mm/năm (có khi hàng mấy năm không có mưa như ở các sa mạc cận nhiệt đới Xahara, Pêru, Sili...).
- Từ vĩ độ cận nhiệt đới lên vĩ độ ôn đới, lượng mưa năm lại tăng dần. Tại đây, lượng mưa lại phân bố rất không đồng đều theo vòng vĩ tuyến: trên lục địa lượng mưa có khi chỉ khoảng 500 mm/năm (thậm chí 250mm/năm); còn trên các vùng duyên hải và biển thì lượng mưa đạt tới 1.000 mm/năm. Lượng mưa trung bình năm ở vùng vĩ độ trung bình này chừng khoảng 800 mm/năm.
- Từ vĩ độ trung bình trở lên vĩ độ cao, lượng mưa năm giảm đi rõ rệt: đa số các nơi lượng mưa năm chừng hơn 300 mm/năm, nhiều khi còn dưới 100 mm/năm trên một diện mưa khá rộng.
Trung bình hàng năm lượng mưa lớn nhất là 12.700 mm/năm quan sát thấy ở Tra- pu-gi (ấn Độ) và 12.100 mm/năm ở Ca-u-ai (Quần đảo Ha oai); nơi mưa ít nhất là ở các sa mạc cận nhiệt đới như Xahara, Pêru, Sili...
Chúng ta có thể giải thích được sự phân bố mưa theo vĩ độ địa lý vừa nêu trên như sau: