CHƯƠNG II BỨC XẠ TRONG KHÍ QUYỂN
2.1 Thành phần và cấu trúc khí quyển
2.1.2 Cấu trúc khí quyển theo chiều thẳng đứng
Do tính không đồng nhất theo chiều thẳng đứng của khí quyển, để nghiên cứu một cách đầy đủ người ta tiến hành phân tầng, phân lớp. Hiện nay đang tồn tại 4 cách phân tầng khí quyển tương ứng với những nguyên tắc khác nhau: nguyên tắc phân tầng dựa vào sự phân bố nhiệt độ theo chiều thẳng đứng; nguyên tắc phân tầng dựa vào thành phần khí quyển; nguyên tắc phân tầng dựa vào sự tác động tương hỗ giữa khí quyển và mặt đất và nguyên tắc phân tầng dựa vào sự ảnh hưởng của khí quyển tới sự làm việc của các thiết bị, máy móc đặt trên máy bay, tên lửa.
Sau đây là các nét chính của các cách phân tầng khí quyển đó.
1) Phân tầng khí quyển dựa vào sự phân bố nhiệt theo độ cao
Dựa vào sự phân bố nhiệt độ không khí theo độ cao có thể phân khí quyển ra 5 tầng và 4 lớp chuyển tiếp giữa các tầng, đó là:
a) Tầng đối lưu: Tầng đối lưu được tính từ mặt đất lan tới độ cao trung bình khoảng 10 km. Độ cao của đỉnh tầng đối lưu thay đổi theo vĩ độ: ở vùng vĩ độ thấp có thể là 16 km đến 17 km, ở vùng vĩ độ cao có thể là 6 km đến 8 km. Đặc trưng cơ bản của tầng đối lưu là:
+ Nhiệt độ không khí giảm liên tục theo độ cao, trung bình trong toàn bộ tầng cứ lên cao 100 m thì nhiệt độ không khí giảm đi là 0,6oC (γ = 0,6oC/100 m). Đến lớp đối lưu hạn - lớp chuyển tiếp giữa tầng đối lưu và tầng bình lưu (ở độ cao trung bình khoảng từ 10 km đến 11 km) thì nhiệt độ không khí chỉ còn khoảng −80oC đến −70oC.
+ Không khí luôn luôn xáo trộn trong toàn bộ tầng và là nơi chịu ảnh hưởng trực tiếp của mặt đất, là nơi phát sinh, tồn tại và phát triển các hiện tượng thời tiết như mưa, tuyết, gió xoáy, bão giông...
+ Mật độ không khí trong tầng dày đặc, trọng lượng không khí của toàn bộ tầng chiếm khoảng 3/4 trọng lượng khí quyển; nơi đây tập trung hầu như toàn bộ hơi nước có trong khí quyển.
b) Tầng bình lưu: Tầng bình lưu được tính từ độ cao trung bình khoảng từ 11 km lan đến 50 km. Đặc điểm cơ bản của tầng bình lưu là:
+ Nhiệt độ không khí ở dưới thấp tăng hoặc không đổi theo độ cao, lên đến độ cao khoảng 35 km nhiệt độ không khí tăng nhanh theo độ cao và đến lớp bình lưu hạn - lớp chuyển tiếp giữa tầng bình lưu và tầng trung quyển (độ cao trung bình khoảng từ 50 km đến 55 km) nhiệt độ không khí xấp xỉ 0oC. Sự tăng nhiệt độ không khí ở đây là do quá trình hấp thụ bức xạ mặt trời của O3 ở các độ cao đó.
+ Khác hẳn với tầng đối lưu, trong tầng bình lưu không có sự phát triển mạnh của không khí theo chiều thẳng đứng, sự xáo trộn của không khí hầu như không đáng kể.
c) Tầng trung quyển: Tầng trung quyển được tính từ độ cao trung bình khoảng từ 55 km lan đến 80 km. Đặc điểm cơ bản của tầng trung quyển là: Nhiệt độ của không khí giảm liên tục theo độ cao. Đến lớp trung quyển hạn - lớp chuyển tiếp giữa tầng trung quyển và tầng nhiệt quyển (độ cao trung bình khoảng từ 80 km đến 85 km) nhiệt độ không khí chỉ còn khoảng −50oC (vào mùa hè) và −70oC (vào mùa đông). Biến trình năm của nhiệt độ không khí thể hiện khá rõ rệt với biên độ lớn hơn 10oC.
d) Tầng nhiệt quyển: Tầng nhiệt quyển được tính từ độ cao trung bình khoảng từ 85 km lan đến 500 km. Đặc điểm cơ bản của tầng nhiệt quyển là: Nhiệt độ của không khí tăng liên tục theo độ cao. Nguyên nhân của sự tăng nhiệt độ này là do sự hấp thụ tia bức xạ mặt trời ở các dải bước sóng λ ≤ 0,175 μ của Oxy để phân huỷ thành Oxy nguyên tử.
e) Tầng ngoại quyển: Tầng ngoại quyển (quyển exdo) bắt đầu từ độ cao trên 500 km. Đặc điểm cơ bản của tầng ngoại quyển là: Nhiệt độ không khí tăng chậm rồi không tăng theo độ cao, giá trị trung bình của nó đạt xấp xỉ 1500oK. Nơi đây, nhất là ở
phần trên của tầng ngoại quyển thường xuyên xảy ra hiện tượng các phần tử khí bay vào vũ trụ hoặc ngược lại.
Một đặc điểm nổi bật của hai tầng trên cùng của khí quyển là mật độ của không khí rất nhỏ, dưới ảnh hưởng của tia tử ngoại và các tia vũ trụ nơi đây xảy ra rất mạnh mẽ các phản ứng phân hủy, ion hoá... và các quá trình ngược lại như liên kết... có thể đó là những nguyên nhân tạo thành các lớp dẫn điện tốt, các vùng cực quang và phát xạ ban đêm ở các lớp khí quyển tầng cao.
2) Phân tầng khí quyển dựa vào thành phần khí quyển
Dựa vào thành phần khí quyển có thể phân thành 2 tầng chủ yếu:
a) Tầng quyển Gô-mô: Tầng quyển Gô-mô được tính từ mặt đất lan tới độ cao trung bình khoảng 90 - 95 km. Thành phần chủ yếu của không khí trong tầng này bao gồm: nitơ N2, ôxy O2, Acgôn Ar. Đặc điểm cơ bản của tầng Gô-mô là:
+ Trọng lượng phân tử không khí hầu như không thay đổi theo độ cao (28,966 đvo).
+ Trong tầng ở độ cao từ 20 đến 55 km tồn tại một lớp không khí có nồng độ O3 rất cao gọi là lớp ôzôn (đôi khi gọi là tầng ôzôn).
Ôzôn được hình thành dưới tác dụng của tia tử ngoại có bước sóng λ < 0,175 μ.
Quá trình hình thành ôzôn trong khí quyển theo các phản ứng sau:
O2 + hν → O + O M + O2 + O → O3 + M Trong đó: h: hằng số Plăng;
ν: tần số dao động của tia bức xạ.
Ôzôn cũng có thể được hình thành dưới tác dụng của các tia chớp. Quá trình hình thành này theo phản ứng sau:
O2 + O2 → O3 + O
Kết quả là O3 được hình thành, song dưới tác dụng của tia bức xạ tử ngoại có bước sóng λ = 0,265 μ cũng có quá trình ngược lại theo các phản ứng sau:
O3 + hν → O2 + O O3 + O → O2 + O2
Kết quả là O3 bị phân hủy thành ôxy phân tử. Quá trình hình thành và phân hủy ô zôn có xu hướng để đạt trạng thái cân bằng, song trạng thái cân bằng này luôn bị phá vỡ vì mỗi quá trình xảy ra trên mỗi nơi, mỗi lúc một khác nên việc phục hồi trạng thái cân bằng này rất chậm chạp.
Ôzôn đóng vai trò rất quan trọng trong việc bảo vệ sự sống cho trái đất. Ôzôn thay đổi theo độ cao, theo quan trắc thì ở độ cao dưới 10 km ôzôn không đáng kể, theo độ cao ôzôn tăng dần và đạt cực đại ở độ cao từ 20 đến 30 km, đến độ cao khoảng 70 km hầu như không còn ôzôn nữa. Độ dày quy toán của lớp ôzôn khoảng 3 mm.
Ôzôn cũng thay đổi theo mùa, theo vĩ độ: ôzôn tăng dần vào mùa xuân và giảm dần vào mùa thu và đông, ôzôn tăng dần theo vĩ độ và thay đổi tuỳ theo điều kiện thời tiết.
Ngày nay, do các chất thải vào khí quyển mà tầng ôzôn từng chỗ, từng nơi đang bị mỏng dần (nơi đó được xem là những lỗ thủng của tầng ôzôn) đó là một trong những nguyên nhân cơ bản của sự biến đổi khí hậu toàn cầu và là nguy cơ cho xói mòn sự sống trên trái đất. Giải quyết khắc phục vấn đề này không chỉ của riêng bất cứ một quốc gia nào !
b) Tầng quyển Ghe-tê-rô: Tầng quyển Ghe-tê-rô tính từ độ cao từ 90 - 95 km trở lên. Thành phần chủ yếu của không khí trong tầng này cũng gồm: nitơ N2, ôxy O2 và có sự tham gia của các nguyên tử ôxy và nguyên tử nitơ. Đặc điểm cơ bản của tầng Ghe-tê-rô là:
+ Phân tử lượng của không khí giảm theo độ cao, nơi đây có sự tham gia của các ôxy và nitơ nguyên tử.
+ Trong tầng có tồn tại một lớp khí có độ dẫn điện tốt gọi là lớp điện ly mà nhiều khi gọi là tầng điện ly. Tầng điện ly này phân ra các lớp: lớp D khoảng 60 km, lớp E khoảng 110 - 140 km và lớp F khoảng hơn 220 km. Nguyên nhân làm cho tầng điện ly dẫn điện tốt là do bức xạ mặt trời ion hóa không khí mạnh tạo thành các ion dương, các ion âm và các điện tử. Nồng độ các ion và các điện tử lớn (nhất là tập trung ở độ cao khoảng 100 km và độ cao 180 - 220 km) làm cho lớp khí quyển này có độ dẫn điện tốt và có khả năng phản hồi sóng vô tuyến điện lan truyền từ mặt đất đến.
3) Phân tầng khí quyển dựa vào sự tương tác giữa khí quyển và mặt đất
Dựa vào sự tương tác giữa khí quyển và mặt đất có thể phân khí quyển ra 2 tầng chủ yếu, đó là: tầng biên và tầng khí quyển tự do.
a) Tầng biên: Tầng biên (hay tầng ma sát) được kể từ mặt đất đến độ cao chừng 1 - 1,5 km. Tầng biên là nơi chịu ảnh hưởng trực tiếp của mặt đất và ma sát loạn lưu. Trong tầng này, các yếu tố khí tượng biến đổi theo độ cao rất rõ rệt. Khi nghiên cứu tầng biên, người ta còn tách ra một lớp không khí rất mỏng tính từ mặt đất đến độ cao khoảng 50 - 100 m và gọi đó là lớp không khí sát mặt đất.
b) Tầng khí quyển tự do: Tầng khí quyển tự do nằm trên độ cao 1,5 km. Trong tầng này có thể bỏ qua ảnh hưởng của ma sát loạn lưu, chuyển động của không khí có thể coi là chuyển động địa chuyển với tốc độ gió građiăng.
4) Phân tầng dựa vào sự ảnh hưởng của khí quyển đến các thiết bị trên máy bay, tên lửa, vệ tinh
Từ các kết quả thăm dò cao không người ta thấy rằng trong khí quyển ở các lớp dưới độ cao 150 km thì các loại máy móc thiết bị lắp đặt trong các máy bay, tên lửa, vệ tinh ... vẫn hoạt động bình thường. Từ đó người ta chia khí quyển thành 2 lớp chủ yếu, đó là: lớp không gian vũ trụ gần mặt đất và lớp khí quyển đặc biệt (còn gọi là lớp mật độ).
a) Lớp không gian vũ trụ gần mặt đất: Lớp không gian vũ trụ gần mặt đất là tầng dưới của khí quyển có độ cao từ mặt đất đến 150 km. Trong lớp này các loại
máy móc thiết bị lắp đặt trong các máy bay, tên lửa, vệ tinh... vẫn hoạt động bình thường.
b) Lớp mật độ: Lớp mật độ nằm ở phía trên tính từ độ cao trên 150 km trở lên.
Trong lớp này các loại máy móc thiết bị lắp đặt trong các máy bay, tên lửa, vệ tinh, ngay cả các thiết bị đặc biệt,... cũng không hoạt động bình thường mà thường rơi vào các trạng thái như: mất tốc độ, mất trọng lượng...
Trên đây là các cách phân tầng, phân lớp khí quyển chủ yếu. Ngoài ra, để đơn giản hoá người ta phân chia khí quyển thành khí quyển tầng thấp có giới hạn dưới độ cao 30 - 40 km, bao gồm cả tầng đối lưu và một phần của tầng bình lưu và khí quyển tầng cao bao gồm toàn bộ phần trên cao còn lại. Nhưng cho dù theo quan niệm phân tầng nào thì cũng phải thừa nhận rằng khí quyển trái đất của chúng ta rất không đồng nhất theo chiều thẳng đứng.