Theo tổ chức khí tượng thế giới - WMO [70] định nghĩa về mây là tập hợp các hạt vật chất được tạo thành do sự ngưng kết của nước hoặc tinh thể băng cũng như bao gồm cả hai thành phần trên, chúng tồn tại ở một độ cao nào đó 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 hơn. Các đám mây là một trong nhiều thành phần trong lớp khí quyển bao quanh trái đất, chúng bao phủ từ 60% tới 70% diện tích bề mặt trái đất [3, 4, 70, 88]. Sự tồn tại của các đám mây giữ một quy luật quan trọng trong hình thái khí hậu toàn cầu bởi sự tồn tại của
25
chúng ảnh hưởng tới sự hấp thụ bức xạ mặt trời và hiệu ứng nhà kính, cũng như quyết định lượng nước luân chuyển trong chu trình bay hơi và gây mưa. Trong Bảng 1.3 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 là rất quan trọng. 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 lại 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… [36, 46, 86].
Việc quan sát mây trong ngành Khí tượng là cực kỳ quan trọng không những đối với các cơ quan phục vụ không chỉ mục đích dự báo thời tiết mà cụ thể cho những mục đích vận chuyển đường không hay đường thủy… 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…[3, 4]. Để phân định đúng dạng mây cần Atlac mây chuyên dụng. Lượng mây tổng quan ước lượng bằng mắt hoặc bằng ảnh chụp vệ tinh. Sự đánh giá này được chia theo phần 10 của độ bao phủ mây, mây bao phủ 100% [96] được gọi theo cấp bao phủ lớn nhất là 10. Trong kỹ thuật lidar cho phép nghiên cứu các tham số đặc trưng vĩ mô cũng như vi mô sâu sắc hơn về các tầng mây. Trong giới hạn luận án, chúng tôi chỉ xin trình bày chi tiết về loại mây Ti tầng cao (hình dạng, vị trí phân bố vai trò của lớp mây tới tầng khí quyển và các vấn
26
đề khí hậu cũng như quá trình hình thành) và việc sử dụng kỹ thuật lidar khảo sát các đặc trưng quang học của lớp mây Ti (đặc trưng phân bố, đặc trưng phân tầng khí quyển, đặc trưng độ sâu quang học, đặc trưng nhiệt độ, đặc trưng phân cực…). Ở chương 4 chúng tôi trình bày những kết quả của nhóm đã thực hiện quan trắc mây Ti tầng cao bằng hệ lidar xây dựng tại Viện Vật lý - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam từ năm 2009.
Bảng 1.3: Phân hạng mây quốc tế theo hình dạng và độ cao của mây [4].
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 Ti Cirrus Ci 7 - 10
Mây Ti – tích Cirrocumulus Cc 6 - 8
Mây Ti – tầng Cirrotratus Cs 6 - 8
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
27
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 6 tháng).
Để có thể dự báo sự thay đổi của thời tiết và biến đổi khí hậu thì đó là bài toán tổng hợp đầy đủ dữ liệu và xử lý thông tin tập hợp được từ: 15 vệ tinh, 100 đầu thu tín hiệu gắn liền phao cố định trên biển, 600 đầu thu gắn liền với phao thả trôi tự do, 3.000 đầu thu gắn vào khinh khi cầu hoặc máy bay, 7.300 trạm tín hiệu lắp đặt trên tàu thủy và 10.000 trạm thu tín hiệu trên mặt đất. Tất cả phục vụ cho mục đích theo dõi các đặc trưng và biến đổi của khí hậu trên toàn cầu. Chỉ những hiểu biết và kết quả nghiên cứu về mây đã là một vốn tri thức khổng lồ của loài người về khí quyển. Trong những nghiên cứu về mây thì nguồn dữ liệu đo đạc chủ yếu có từ những ảnh chụp vệ tinh, tín hiệu radar từ các trạm vệ tinh cũng như trạm đặt trên mặt đất. Bên cạnh đó phương pháp lidar cũng mang lại một nguồn tài nguyên dữ liệu phong phú và đáng tin cậy.
Lidar là một công cụ khá mới so với các phương pháp khác, được nghiên cứu phát triển ban đầu cho mục đích quân sự sau đó nó đã được phổ biến và phục vụ cho mục đích dân sự. Lidar là một phương pháp tiên tiến có độ chính xác cao với độ phân giải thời gian có thể tới ns và không gian tới dm. Trên thế giới hiện nay lidar là công cụ phổ biến được sử dụng nghiên cứu các đối tượng trong khí quyển, trong đó có mây. Tuy nhiên, ở Việt Nam đây vẫn là một công cụ đắt đỏ bởi vậy vẫn là một phương pháp khó thực hiện và chưa phổ biến. Trong giới hạn luận án tôi cùng các đồng nghiệp trong nhóm xây dựng và khai thác hệ lidar phân cực nhiều bước sóng với độ phân giải cao cho mục đích nghiên cứu bầu khí quyển ở Hà Nội. Cụ thể trong chương 4 chúng tôi sẽ trình bầy những kết quả bước đầu nghiên cứu về lớp mây Ti tầng cao.
28
Trong phạm vi chương này chúng tôi xin trình bày khái quát những thuộc tính về đối tượng nghiên cứu - mây Ti, cũng như các loại mây nói chung và khai thác nguồn số liệu thu từ hệ lidar nhiều bước sóng được xây dựng và phát triển tại Viện Vật Lý, để khảo sát một số những tính chất cơ bản của mây Ti như: tính chất về sự phân bố không gian có độ cao tồn tại trung bình là: 13,4 km; độ cao của lớp mây biến đổi từ 11,2 km tới 15 km; độ dày lớp mây trung bình là: 1,75 km và biến đổi từ 0,3 tới 3,8 km. Sự tương quan giữa độ cao của mây và nhiệt độ đám mây, sự thay đổi độ cao phân bố cũng như nhiệt độ nội tại của đám mây thay đổi theo thời gian trong năm, đặc tính khử phân cực của mây Ti… cũng sẽ được thảo luận kỹ trong chương 4 của luận án.
Trong tầng đối lưu, tầng khí quyển tính từ mặt đất lên độ cao khoảng 20km, thì sự hiện diện và vai trò của các đám 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 tốn nhiều công sức tìm hiểu và nghiên cứu. Trong chương này 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 1.6 [70]. 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 tồn tại ở thể dày đặc hơn cả. Lên tới phân lớp trên, độ cao từ 2 km tới 6 km, cũng tồn tại hai dạng chủ yếu đó 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. Ở tầng trên cùng, độ cao trên 6km 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, một dạng hình thành từng đám gồm các bông nhỏ (Cirrocumulus) và dạng gồm nhiều dải ngắn chồng lên nhau (Cirrotratus). (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
29
Trong thực tế các loại mây phổ biến nhất tồn tại trong lớp khí quyển gần trái đất (tầng đối lưu) chúng ta thường quan sát thấy được trích dẫn trong Hình 1.7 và những loại mây không phổ biến được thống kê trong Hình 1.8.
Nói thêm về mây Ti, mây Ti (tiếng La tinh Ti nghĩa là tua cuốn) hay còn được gọi là mây Ti 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, nên trong một vài ngôn ngữ, như tiếng Anh người ta có thể gọi nó là: mare‟s tails (vệt hay đuôi con vật có dạng búi, nghĩa đen là "lông đuôi con ngựa cái"). Đôi khi các đám mây Ti trải rộng đến mức chúng ta không thể phân biệt được từng đám khác nhau bằng mắt thường.
Hình 1.6: Ảnh phân bố loại mây trong tầng đối lưu theo hiệp hội khí tượng thế giới MWO [68].
Mây Ti
Mây Ti - tích
Mây Ti – tầng
Các loại mây khác thuộc tầng thấp hơn 6 km
Mây trung tích Mây trung tầng Mây tầng tích Mây vũ tầng Mây tích Mây tầng Mây vũ tích
30
Trong điều kiện khí hậu Việt Nam có rất ít ngày trời trong, đặc biệt như khí hậu miền bắc – Hà Nội, 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. Nhưng qua các nghiên cứu thì sự hiện diện của mây Ti là phổ biến và mật độ bao phủ của chúng trên bề mặt khí quyển trái đất là 30% [8, 12]. Bởi lý do đó mây Ti tầng cao 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 ngoài của tầng đối lưu đóng vai trò bảo vệ trái đất và có ảnh hưởng trực tiếp tới khí hậu của trái đất.
Độ cao Các loại mây
Mây Ti - Tầng cao Trên 6 km Tầng trung 2 – 6km Tầng thấp 0 – 2km
31
Cơ chế hình thành các đám mây là khá dễ hiểu. Dưới tác dụng của năng lượng bức xạ mặt trời trong bầu khí quyển sẽ xuất hiện những vùng khí nóng (mang theo nhiều thành phần hạt phức tạp có nguồn gốc khác nhau từ mặt đất) và có nhiệt độ khác nhau. Sự gặp nhau của các khối khí nóng lạnh sẽ cho phép khối khí nóng được đẩy lên cao và ở độ cao, nhiệt độ khối khí giảm đi làm cho mật độ của vật chất trong khối khí tăng lên và tạo ra những hạt vật chất gắn kết nhiều thành phần (hơi nước, hạt bụi, khói,…) có thể kết đông thành hạt lớn hơn hoặc kết đông thành pha rắn khi nhiệt độ dưới nhiệt độ đông đặc. Mây là tập hợp khối vật chất có mật độ cao có thể là giọt dạng lỏng ở phân tầng dưới hoặc là
Độ cao Các loại mây không phổ biến
Có thể tìm thấy ở nhiều độ cao khác nhau Những mây không phổ biến, có hình dạng đặc biệt Dạng vệt liên tục kéo dài. Tìm thấy ở nhiều độ cao khác nhau
Hình 1.8: Ảnh một số lọai mây không phổ biến khác tồn tại trong tầng đối lưu của trái đất [70].
32
tinh thể ở phân tầng cao có nhiệt độ thấp. Hình ảnh quá trình tạo thành mây có thể được biểu diễn trong Hình 1.9 [70].
Mây Ti được hình thành khi hơi nước đóng băng thành các tinh thể nước đá tại các cao độ trên 6.000 m. Do độ ẩm khá thấp tại các cao độ lớn nên chúng có xu hướng là rất mỏng. Ở các cao độ này, các máy bay để lại các dấu vết ngưng tụ (khói thải ra hoặc chính là sự biến động của khối khí để lại sau khi máy bay đi qua) mà chúng có thể chuyển thành mây Ti. Điều này xảy ra khi khí nóng thoát ra có chứa nước và hơi nước đó bị đóng băng, để lại dấu vết nhìn thấy. Các vệt dấu vết này có thể ở dạng thẳng khi không có sự nhiễu loạn đột ngột, khi có sự nhiễu loạn đột ngột vì nguyên nhân nào đó sẽ làm cho mây xuất hiện dưới dạng móc cong hay dấu phẩy (Cirrocumulus), hay một mớ lộn xộn - chỉ thị về nhiễu loạn ở mức cao.
1.1.3.2. Vai trò của mây Ti đối với khí quyển tầng đối lƣu
Tồn tại ở lớp trên cùng của tầng đối lưu, từ độ cao trên 6km, mây Ti đóng vai trò hấp thụ năng lượng bức xạ nhiệt (vùng bước sóng dài) từ mặt đất – tạo
Hình 1.9: Mô hình giải thích sự tạo thành của các đám mây [70].
Khí lạnh Khí ấm
Khí lạnh Khí ấm
Khối khí nóng phát triển dưới một phông khí lạnh sẽ giảm độ cao và gây ra mưa – quá trình giải phóng đám mây Phông khí ấm phát triển phí trên
khối khí lạnh sẽ làm tăng độ cao của khối khí – quá trình tạo mây
33
hiện tượng nhà kính, đồng thời phản xạ những bức xạ nhận từ phía mặt trời. Điều đó cho thấy vai trò là lớp bảo vệ trái đất của tầng mây Ti luôn đóng một vai trò đặc biệt quan trọng trong quá trình bức xạ năng lượng xảy ra ở lớp khí quyển tầng thấp của trái đất. Điều này thực sự là đáng kể và có mức ảnh hưởng lớn bởi sự tồn tại phổ biến của mây Ti trong tầng đối lưu, sự che phủ của chúng là khoảng 30% bề mặt toàn bộ trái đất [88]. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Độ cao, độ dày, mật độ che phủ của mây Ti và những đặc trưng vi mô của mây như: mật độ tinh thể băng, hàm lượng nước và kích thước hạt tinh thể…sẽ là những thông số quan trắc có nhiều ý nghĩa đánh giá về mức độ ảnh hưởng của lớp mây Ti đối với các đối tượng còn lại trong tầng đối lưu và có ý nghĩa với đối với sơ đồ dự báo thời tiết.
Vì vậy, mây Ti đóng vai trò là mắt xích của chu trình tuần hoàn nước, là đối tượng mang năng lượng lớn nhất có được từ năng lượng bức xạ của mặt trời do đó hoạt động của mây Ti đóng vai trò thúc đẩy quá trình biến đổi năng lượng bức xạ tiếp theo xảy ra trong khí quyển. Những đặc trưng của mây Ti sẽ cho phép xây dựng nên mô hình dự báo sự thay đổi thời tiết cho từng khu vực cũng