Giáo trình Vật lý khí quyển - Chương V: Chuyển động đối lưu trong khí quyển

81 trang Gia Huy 25/05/2022 2860

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Vật lý khí quyển - Chương V: Chuyển động đối lưu trong khí quyển", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

giao_trinh_vat_ly_khi_quyen_chuong_v_chuyen_dong_doi_luu_tro.pdf

Nội dung text: Giáo trình Vật lý khí quyển - Chương V: Chuyển động đối lưu trong khí quyển

Giáo trình Vật lý khí quyển Giáo trình Vật lý khí quyển Hãy tính xem ở độ sâu nào những độ tắt của các dao động CHƢƠNG V: CHUYỂN ĐỘNG ĐỐI LƢU TRONG nhiệt độ trong đất và nƣớc sẽ bằng nhau. KHÍ QUYỂN Đối với độ sâu đất là Zđ và nƣớc là Zn ta có: 5.1. Khái niệm về nhiệt động lực, quá trình đoạn nhiệt Z Z và độ bền vững của khí quyển đ  n  e K 1 e Ka 2 5.1.1. Những biến đổi đoạn nhiệt của nhiệt độ không khí Z k khô n a (4.54) Z đ k Quá trình đoạn nhiệt là những quá trình xảy ra trong một khối không khí riêng biệt nào đó, không có nhiệt dồn từ bên ngoài Đối với đất hệ số dẫn nhiệt độ k 0,01 và đối với nƣớc thì hệ vào và không có nhiệt trả lại cho không gian xung quanh. số dẫn nhiệt loạn lƣu là: Ka = (A/ρ) = 110, trung bình Ka = 5, thay vào (4.54) ta đƣợc: Giả sử có một khối không khí chuyển động theo phƣơng đứng một cách đoạn nhiệt. Tức là không xảy ra một sự trao đổi nào cả giữa khối không khí đang xét và xung quanh. Tuy nhiên, nhiệt Z 5 n 22 (4.55) độ của khối không khí di chuyển sẽ thay đổi do sự biến đổi của áp Zđ 0,01 suất mà khối không khí đó chịu tác động và do sự biến đổi thể tích của nó: Khi bốc lên cao, khối không khí bị lạnh đi vì phải tiêu thụ Nhƣ vậy các dao động nhiệt độ trong nƣớc xâm nhập xuống một công để nở ra. Trái lại, khi hạ xuống dƣới thì nó nóng lên do sâu gấp chừng 20 lần ở trong đất. lực bên ngoài (áp suất khí quyển xung quanh tác động) thực hiện một công để nén khối không khí đó lại. Giả sử một lƣợng nhiệt nhỏ dQ đƣợc truyền từ bên ngoài vào một đơn vị khối lƣợng không khí khô (1g). Theo định luật thứ nhất của nhiệt động học: dQ = CvdT + PdV (5.1) Trong đó: Cv = Q/T khi v = const là nhiệt dung của không khí khi thể tích không đổi. P là áp suất. V là thể tích riêng. T là nhiệt độ không khí cho sẵn. Thành phần thứ nhất bên phải là dùng để làm tăng nhiệt độ không khí và thứ hai là công dãn nở của nó với áp suất bên ngoài không đổi. 9394 9594
Giáo trình Vật lý khí quyển Giáo trình Vật lý khí quyển Từ phƣơng trình PV = RkkT ta có: a = -dT/dz = g/Cp gọi là gradient đoạn nhiệt khô (5.10) PdV + VdP = RkkdT (5.2) Đại lƣợng a = -dT/dz = g/Cp = 0,000098 độ/cm = 0,01 4 2 2 0 độ/m = 1 độ/100m là gradient đoạn nhiệt khô đối với không khí (Rkk = 287 10 cm /(s x K)). Thay vào (5.1) ta đƣợc: chƣa bão hoà. Biết đƣợc độ lớn của gradient đoạn nhiệt khô a, có dQ = (Cv + Rkk)dT - VdP (5.3) thể tìm đƣợc nhiệt độ T của khối không khí bốc lên đoạn nhiệt khô ở một độ cao bất kỳ z: Biết Cp = Q/T khi p = const và Cp = Cv + Rkk. T = To - az (5.11) Khi đó: dQ = CpdT - VdP (5.4) Nếu là quá trình đoạn nhiệt thì dQ = 0 và  = -dT/dz là gradient hình học (thẳng đứng), T đƣợc xác định theo: CpdT = VdP (5.5) T = To - z (5.12) Thay V = RkkT/P đƣợc: CpdT = RkkTdP/P = (Cp – Cv)TdP/P (5.6) 5.1.2. Gradient đoạn nhiệt ẩm Đối với không khí bão hoà hơi nƣớc, khi bốc lên cũng bị dT/T = (Rkk/Cp)dP/P = [(Cp – Cv)/Cp]dP/P (5.7) lạnh đi, nhƣng có một phần hơi nƣớc trong không khí ngƣng kết ln(T/To) = (Rkk/Cp)ln(P/Po) = [(Cp – Cv)/Cp]ln(P/Po)(5.8) lại, và khi ngƣng kết có ẩn nhiệt giải phóng ra làm giảm mức độ lạnh. Do đó gradient đoạn nhiệt ẩm 'a = -dT/dz sẽ nhỏ hơn gradient R /C [(Cp – Cv)/Cp] [(χ – kk p hay T/To = (P/Po) = (P/Po) = (P/Po) đoạn nhiệt khô a = 1độ/100m ('a < a). 1)/χ] Công thức (5.4) đƣợc viết lại đối với không khí ẩm là: χ = Cp/Cv gọi là hệ số Poát Xông hay chỉ số đoạn nhiệt; χ = 1,4 và Rkk/Cp = 0,288 dQ = CpdT - VdP + Ldq (5.13) [(χ – 1)/χ] 0,288 T/To = (P/Po) = (P/Po) gọi là công thức Poát Xông (5.9) Trong đó: Trong đó: L là ẩn nhiệt hoá hơi (L = 600 calo/g). T và P là nhiệt độ tuyệt đối và áp suất của không khí dq là độ biến thiên của độ ẩm riêng, bằng lƣợng khi trạng thái của nó biến đổi một cách đoạn nhiệt; nƣớc đã ngƣng kết lại hoặc mới bốc hơi. Trong quá To và Po là giá trị ban đầu. trình đoạn nhiệt thì dQ = 0, nên: Công thức Poát Xông cho biết sự liên hệ giữa những biến CpdT - VdP + Ldq = 0 (5.14) đổi của nhiệt độ và áp suất trong các quá trình đoạn nhiệt. Theo công thức về độ ẩm riêng đối với không khí bão hoà: Theo phƣơng trình tĩnh học cơ bản dP = - gdz, từ (5.6) sẽ q = 0,622e/P hay dq = 0,622(de/P - edP/P2); khi đƣợc: đó: C dT = -V gdz và V = 1 p dq/q = de/e - dP/P (5.15) 9596 9796
Giáo trình Vật lý khí quyển Giáo trình Vật lý khí quyển Từ phƣơng trình PV = RkkT ta có: a = -dT/dz = g/Cp gọi là gradient đoạn nhiệt khô (5.10) PdV + VdP = RkkdT (5.2) Đại lƣợng a = -dT/dz = g/Cp = 0,000098 độ/cm = 0,01 4 2 2 0 độ/m = 1 độ/100m là gradient đoạn nhiệt khô đối với không khí (Rkk = 287 10 cm /(s x K)). Thay vào (5.1) ta đƣợc: chƣa bão hoà. Biết đƣợc độ lớn của gradient đoạn nhiệt khô a, có dQ = (Cv + Rkk)dT - VdP (5.3) thể tìm đƣợc nhiệt độ T của khối không khí bốc lên đoạn nhiệt khô ở một độ cao bất kỳ z: Biết Cp = Q/T khi p = const và Cp = Cv + Rkk. T = To - az (5.11) Khi đó: dQ = CpdT - VdP (5.4) Nếu là quá trình đoạn nhiệt thì dQ = 0 và  = -dT/dz là gradient hình học (thẳng đứng), T đƣợc xác định theo: CpdT = VdP (5.5) T = To - z (5.12) Thay V = RkkT/P đƣợc: CpdT = RkkTdP/P = (Cp – Cv)TdP/P (5.6) 5.1.2. Gradient đoạn nhiệt ẩm Đối với không khí bão hoà hơi nƣớc, khi bốc lên cũng bị dT/T = (Rkk/Cp)dP/P = [(Cp – Cv)/Cp]dP/P (5.7) lạnh đi, nhƣng có một phần hơi nƣớc trong không khí ngƣng kết ln(T/To) = (Rkk/Cp)ln(P/Po) = [(Cp – Cv)/Cp]ln(P/Po)(5.8) lại, và khi ngƣng kết có ẩn nhiệt giải phóng ra làm giảm mức độ lạnh. Do đó gradient đoạn nhiệt ẩm 'a = -dT/dz sẽ nhỏ hơn gradient R /C [(Cp – Cv)/Cp] [(χ – kk p hay T/To = (P/Po) = (P/Po) = (P/Po) đoạn nhiệt khô a = 1độ/100m ('a < a). 1)/χ] Công thức (5.4) đƣợc viết lại đối với không khí ẩm là: χ = Cp/Cv gọi là hệ số Poát Xông hay chỉ số đoạn nhiệt; χ = 1,4 và Rkk/Cp = 0,288 dQ = CpdT - VdP + Ldq (5.13) [(χ – 1)/χ] 0,288 T/To = (P/Po) = (P/Po) gọi là công thức Poát Xông (5.9) Trong đó: Trong đó: L là ẩn nhiệt hoá hơi (L = 600 calo/g). T và P là nhiệt độ tuyệt đối và áp suất của không khí dq là độ biến thiên của độ ẩm riêng, bằng lƣợng khi trạng thái của nó biến đổi một cách đoạn nhiệt; nƣớc đã ngƣng kết lại hoặc mới bốc hơi. Trong quá To và Po là giá trị ban đầu. trình đoạn nhiệt thì dQ = 0, nên: Công thức Poát Xông cho biết sự liên hệ giữa những biến CpdT - VdP + Ldq = 0 (5.14) đổi của nhiệt độ và áp suất trong các quá trình đoạn nhiệt. Theo công thức về độ ẩm riêng đối với không khí bão hoà: Theo phƣơng trình tĩnh học cơ bản dP = - gdz, từ (5.6) sẽ q = 0,622e/P hay dq = 0,622(de/P - edP/P2); khi đƣợc: đó: C dT = -V gdz và V = 1 p dq/q = de/e - dP/P (5.15) 9596 9796
Giáo trình Vật lý khí quyển Giáo trình Vật lý khí quyển Trong đó: e là sức trƣơng bão hoà. Với V = RkkT/P, thay q' vào (5.14) đƣợc: Không khí Xung quanh CpdT - RkkdP/P + Lqde/e - LqdP/P = 0 (5.16) V hay T,ρ T,ρ' [Cp + Lq(1/e)de/dT]dT = (RkkT + Lq)dP/P (5.17) q Thay dP = - gdz và P = RkkT/V = RkkT đƣợc: Hình 5.1 [Cp + Lq(1/e)dE/dT]dT = - g[1 + Lq/(RkkT)]dz (5.18) - Trọng lực (trọng lƣợng của thể tích cho sẵn) hƣớng xuống dƣới: Từ đó, gradient đoạn nhiệt ẩm 'a đƣợc tính: q = mg = Vρg (5.20) 'a = -dT/dz = g[1 + Lq/(RkkT)]/[Cp + Lq(1/e)de/dT] (5.19) - Lực acsimet q' bằng trọng lƣợng của thể tích không khí ' Nhƣ vậy độ lớn  a phụ thuộc vào sức trƣơng bão hoà e (sức xung quanh bị dời chỗ và hƣớng lên trên: trƣơng này lại là hàm số của nhiệt độ) và độ lớn của độ ẩm riêng q' = m'g = Vρ'g (5.21) (phụ thuộc vào e và P). Nghĩa là gradient đoạn nhiệt ẩm phụ thuộc vào nhiệt độ và áp suất. - Lực gây ra chuyển động đối lƣu tác động để khối không khí di chuyển hay đứng yên là: Không khí ẩm bão hoà càng lên cao đoạn nhiệt thì nhiệt độ ' F = q' - q = V (ρ' - ρ)g (5.22) và áp suất của nó sẽ biến đổi, do đó độ lớn của  a trong không khí đó cũng biến đổi. Bằng thực nghiệm có ghi lại những gradient đoạn Gia tốc thẳng đứng của đối lƣu là: nhiệt ẩm ở những mực khác nhau trong khí quyển, trong khối không khí bốc lên có những nhiệt độ ban đầu khác nhau (tức là  = (F/m) = [V (ρ' - ρ)g]/(Vρ) = g(ρ' - ρ)/ρ (5.23) những nhiệt độ ở mực tƣơng ứng với áp suất 1000mb). Từ bảng số liệu tính đƣợc nhiệt độ T của khối không khí bão hoà bốc lên tuỳ Từ phƣơng trình Cơ la pay rông: theo độ cao đi lên của nó và lập thành những đƣờng trạng thái cá PV = R T  ρ = P/R T thể cho không khí bão hoà, gọi là những đƣờng ''đoạn nhiệt ẩm''. kk kk  ρ'/ρ = T/T' (5.24) 5.1.3. Độ bền vững thẳng đứng của khí quyển (ở cùng một áp suất thì mật độ tỷ lệ nghịch với nhiệt độ Giả sử một thể tích không khí V có nhiệt độ T và mật độ ρ. tuyệt đối) Còn không khí xung quanh là T' và ρ'. Thể tích không khí V chịu tác dụng của 2 lực:  (ρ' - ρ)/ρ = (T - T')/ T' (5.25) Hay: 2  [cm/s ] = (T - T')g/T' (5.26) 9798 9998
Giáo trình Vật lý khí quyển Giáo trình Vật lý khí quyển Trong đó: e là sức trƣơng bão hoà. Với V = RkkT/P, thay q' vào (5.14) đƣợc: Không khí Xung quanh CpdT - RkkdP/P + Lqde/e - LqdP/P = 0 (5.16) V hay T,ρ T,ρ' [Cp + Lq(1/e)de/dT]dT = (RkkT + Lq)dP/P (5.17) q Thay dP = - gdz và P = RkkT/V = RkkT đƣợc: Hình 5.1 [Cp + Lq(1/e)dE/dT]dT = - g[1 + Lq/(RkkT)]dz (5.18) - Trọng lực (trọng lƣợng của thể tích cho sẵn) hƣớng xuống dƣới: Từ đó, gradient đoạn nhiệt ẩm 'a đƣợc tính: q = mg = Vρg (5.20) 'a = -dT/dz = g[1 + Lq/(RkkT)]/[Cp + Lq(1/e)de/dT] (5.19) - Lực acsimet q' bằng trọng lƣợng của thể tích không khí ' Nhƣ vậy độ lớn  a phụ thuộc vào sức trƣơng bão hoà e (sức xung quanh bị dời chỗ và hƣớng lên trên: trƣơng này lại là hàm số của nhiệt độ) và độ lớn của độ ẩm riêng q' = m'g = Vρ'g (5.21) (phụ thuộc vào e và P). Nghĩa là gradient đoạn nhiệt ẩm phụ thuộc vào nhiệt độ và áp suất. - Lực gây ra chuyển động đối lƣu tác động để khối không khí di chuyển hay đứng yên là: Không khí ẩm bão hoà càng lên cao đoạn nhiệt thì nhiệt độ ' F = q' - q = V (ρ' - ρ)g (5.22) và áp suất của nó sẽ biến đổi, do đó độ lớn của  a trong không khí đó cũng biến đổi. Bằng thực nghiệm có ghi lại những gradient đoạn Gia tốc thẳng đứng của đối lƣu là: nhiệt ẩm ở những mực khác nhau trong khí quyển, trong khối không khí bốc lên có những nhiệt độ ban đầu khác nhau (tức là  = (F/m) = [V (ρ' - ρ)g]/(Vρ) = g(ρ' - ρ)/ρ (5.23) những nhiệt độ ở mực tƣơng ứng với áp suất 1000mb). Từ bảng số liệu tính đƣợc nhiệt độ T của khối không khí bão hoà bốc lên tuỳ Từ phƣơng trình Cơ la pay rông: theo độ cao đi lên của nó và lập thành những đƣờng trạng thái cá PV = R T  ρ = P/R T thể cho không khí bão hoà, gọi là những đƣờng ''đoạn nhiệt ẩm''. kk kk  ρ'/ρ = T/T' (5.24) 5.1.3. Độ bền vững thẳng đứng của khí quyển (ở cùng một áp suất thì mật độ tỷ lệ nghịch với nhiệt độ Giả sử một thể tích không khí V có nhiệt độ T và mật độ ρ. tuyệt đối) Còn không khí xung quanh là T' và ρ'. Thể tích không khí V chịu tác dụng của 2 lực:  (ρ' - ρ)/ρ = (T - T')/ T' (5.25) Hay: 2  [cm/s ] = (T - T')g/T' (5.26) 9798 9998
Giáo trình Vật lý khí quyển Giáo trình Vật lý khí quyển 1) Nếu T > T' thì  > 0 (gia tốc dƣơng) những khối không khí + Đối với không khí khô: Nếu  lớn hơn gradient đoạn nóng hơn chuyển động hƣớng lên trên. nhiệt khô ( > 1độ/100m) thì tầng kết này sẽ không bền vững đối  2) Nếu T 1độ/100m) những chuyển động đối lƣu thẳng đứng phát triển mạnh mẽ. Chuyển động đã chuyển tới với nhiệt độ T0 và T'0 tƣơng ứng và giả sử ở vị trí ban bắt dầu hình thành hƣớng lên trên hoặc xuống dƣới sẽ tiếp tục với một đầu nhiệt độ T0 = T'0 (gia tốc đối lƣu ban đầu =0). Khi đó nhiệt độ khối không khí đƣợc tính theo đoạn nhiệt và gradient hình học tốc độ tăng lên. Trái lại trong tầng kết bền vững, những chuyển động thẳng đứng của các khối không khí dần dần ngƣng lại, đối lƣu không T = T0 - az phát triển đƣợc.  Và T' = T'0 - z Mức độ bền vững của khí quyển đặc biệt lớn, nếu = 0, tức là nhiệt độ không đổi theo độ cao. Một tầng kết nhƣ vậy gọi là đẳng Khi đó: nhiệt. Nhƣng độ bền vững của khí quyển càng lớn hơn khi  450: Tầng kết bền vững 3) Nếu  > a thì gia tốc  > 0, tức là khối không khí sẽ có khuynh hƣớng di chuyển tiếp lên cao, xa với vị trí ban đầu của nó - Đó là Nhƣ vậy: Đoạn AB có tầng kết không bền vững; BC và CD trƣờng hợp cân bằng không bền của khí quyển. (đẳng nhiệt) rất bền vững; DE: Cân bằng phiếm định; EF: Có tầng kết bền vững. Nhƣ vậy, mức độ bền vững thẳng đứng của khí quyển đƣợc + Đối với trƣờng hợp không khí ẩm: Ta phải so sánh các giá xác định bởi tính chất tầng kết nhiệt của nó, tức là bởi độ lớn của ' gradient nhiệt độ thẳng đứng hình học: trị a, ,  a. 99100 101100
Giáo trình Vật lý khí quyển Giáo trình Vật lý khí quyển 1) Nếu T > T' thì  > 0 (gia tốc dƣơng) những khối không khí + Đối với không khí khô: Nếu  lớn hơn gradient đoạn nóng hơn chuyển động hƣớng lên trên. nhiệt khô ( > 1độ/100m) thì tầng kết này sẽ không bền vững đối  2) Nếu T 1độ/100m) những chuyển động đối lƣu thẳng đứng phát triển mạnh mẽ. Chuyển động đã chuyển tới với nhiệt độ T0 và T'0 tƣơng ứng và giả sử ở vị trí ban bắt dầu hình thành hƣớng lên trên hoặc xuống dƣới sẽ tiếp tục với một đầu nhiệt độ T0 = T'0 (gia tốc đối lƣu ban đầu =0). Khi đó nhiệt độ khối không khí đƣợc tính theo đoạn nhiệt và gradient hình học tốc độ tăng lên. Trái lại trong tầng kết bền vững, những chuyển động thẳng đứng của các khối không khí dần dần ngƣng lại, đối lƣu không T = T0 - az phát triển đƣợc.  Và T' = T'0 - z Mức độ bền vững của khí quyển đặc biệt lớn, nếu = 0, tức là nhiệt độ không đổi theo độ cao. Một tầng kết nhƣ vậy gọi là đẳng Khi đó: nhiệt. Nhƣng độ bền vững của khí quyển càng lớn hơn khi  450: Tầng kết bền vững 3) Nếu  > a thì gia tốc  > 0, tức là khối không khí sẽ có khuynh hƣớng di chuyển tiếp lên cao, xa với vị trí ban đầu của nó - Đó là Nhƣ vậy: Đoạn AB có tầng kết không bền vững; BC và CD trƣờng hợp cân bằng không bền của khí quyển. (đẳng nhiệt) rất bền vững; DE: Cân bằng phiếm định; EF: Có tầng kết bền vững. Nhƣ vậy, mức độ bền vững thẳng đứng của khí quyển đƣợc + Đối với trƣờng hợp không khí ẩm: Ta phải so sánh các giá xác định bởi tính chất tầng kết nhiệt của nó, tức là bởi độ lớn của ' gradient nhiệt độ thẳng đứng hình học: trị a, ,  a. 99100 101100
Giáo trình Vật lý khí quyển Giáo trình Vật lý khí quyển ' 1)  > a >  a: Đó là trƣờng hợp không bền vững tuyệt đối đối với dw = -(T - T')/T'dp/ρ = -Rkk (T - T')dp/p (5.32) không khí ẩm (bão hoà) cũng nhƣ đối với không khí khô. hoặc dw = -Rkk (T - T') d(lnp) (5.33) ' 2)   >  a: Tầng kết là bền vững đối với không khí khô, còn không bền vững đối với không khí ẩm. Đó là trạng thái P2 w R (T T )d(ln p) (5.34) không bền vững ẩm. kk P1 5.2. Năng lƣợng của độ không bền vững, các quá trình Theo (5.33) xây dựng giản đồ êma - Đồ thị đƣờng đoạn nhiệt đặc đoạn nhiệt giả và độ cao mực ngƣng kết biệt. Trục tung đặt thang logarit của áp suất giảm theo hƣớng lên trên, trục hoành thang nhiệt độ tăng từ trái sang phải. 5.2.1. Năng lượng của độ không bền vững Lnp Z 600 II 700 800 1 2 5 I 900 1000 Hình 5.3 - 200 -100 00 100 200 T Mức độ không bền vững thẳng đứng của khí quyển có thể đánh giá thông qua độ lớn tổng cộng năng lƣợng của độ không bền Hình 5.4 vững của khối không khí cho sẵn, đƣợc tiêu thụ để duy trì và phát triển những chuyển động thẳng đứng (đối lƣu) trong khối không khí - Vẽ các đƣờng đoạn nhiệt khô (đƣờng liền). đó. - Vẽ các đƣờng đoạn nhiệt ẩm (đƣờng nét đứt). Độ lớn của năng lƣợng của độ không bền vững trong khối - Các đƣờng độ ẩm riêng cực đại có đánh số 1, 2, 5 [g/kg] không khí cho sẵn giữa 2 mức bất kỳ, đƣợc xác định bằng thực hiện độ dốc lớn. một công đƣa khối không khí dời từ mực này sang mực khác. Những đƣờng độ ẩm riêng cực đại dùng để xác định mực Công tính bằng lực nhân với đƣờng đi. Giả sử một đơn vị ngƣng kết. Trên mực này diễn ra sự chuyển tiếp từ đƣờng đoạn khối lƣợng 1g di chuyển theo đƣờng thẳng đứng, khi có tác động nhiệt khô sàn đƣờng đoạn nhiệt ẩm. của một lực chính là gia tốc đối lƣu: Không khí bốc lên, thì trƣớc hết nhiệt độ của nó biến đổi  = g(T - T')/T' (theo 5.26) khi dịch chuyển đƣợc một theo đoạn nhiệt khô, ở một độ cao nào đó không khí bốc lên lạnh đoạn đƣờng dz, thì công nguyên tố đƣợc thực hiện: đi, đến lên lạnh đi, đến điểm sƣơng, tức trở lên bão hòa. Mực này dw = [g(T - T')/T']dz (5.31) gọi là mực ngƣng kết. với dz = -dp/(ρg); ρ = P/RkkT' Ta có : 101102 103102
Giáo trình Vật lý khí quyển Giáo trình Vật lý khí quyển ' 1)  > a >  a: Đó là trƣờng hợp không bền vững tuyệt đối đối với dw = -(T - T')/T'dp/ρ = -Rkk (T - T')dp/p (5.32) không khí ẩm (bão hoà) cũng nhƣ đối với không khí khô. hoặc dw = -Rkk (T - T') d(lnp) (5.33) ' 2)   >  a: Tầng kết là bền vững đối với không khí khô, còn không bền vững đối với không khí ẩm. Đó là trạng thái P2 w R (T T )d(ln p) (5.34) không bền vững ẩm. kk P1 5.2. Năng lƣợng của độ không bền vững, các quá trình Theo (5.33) xây dựng giản đồ êma - Đồ thị đƣờng đoạn nhiệt đặc đoạn nhiệt giả và độ cao mực ngƣng kết biệt. Trục tung đặt thang logarit của áp suất giảm theo hƣớng lên trên, trục hoành thang nhiệt độ tăng từ trái sang phải. 5.2.1. Năng lượng của độ không bền vững Lnp Z 600 II 700 800 1 2 5 I 900 1000 Hình 5.3 - 200 -100 00 100 200 T Mức độ không bền vững thẳng đứng của khí quyển có thể đánh giá thông qua độ lớn tổng cộng năng lƣợng của độ không bền Hình 5.4 vững của khối không khí cho sẵn, đƣợc tiêu thụ để duy trì và phát triển những chuyển động thẳng đứng (đối lƣu) trong khối không khí - Vẽ các đƣờng đoạn nhiệt khô (đƣờng liền). đó. - Vẽ các đƣờng đoạn nhiệt ẩm (đƣờng nét đứt). Độ lớn của năng lƣợng của độ không bền vững trong khối - Các đƣờng độ ẩm riêng cực đại có đánh số 1, 2, 5 [g/kg] không khí cho sẵn giữa 2 mức bất kỳ, đƣợc xác định bằng thực hiện độ dốc lớn. một công đƣa khối không khí dời từ mực này sang mực khác. Những đƣờng độ ẩm riêng cực đại dùng để xác định mực Công tính bằng lực nhân với đƣờng đi. Giả sử một đơn vị ngƣng kết. Trên mực này diễn ra sự chuyển tiếp từ đƣờng đoạn khối lƣợng 1g di chuyển theo đƣờng thẳng đứng, khi có tác động nhiệt khô sàn đƣờng đoạn nhiệt ẩm. của một lực chính là gia tốc đối lƣu: Không khí bốc lên, thì trƣớc hết nhiệt độ của nó biến đổi  = g(T - T')/T' (theo 5.26) khi dịch chuyển đƣợc một theo đoạn nhiệt khô, ở một độ cao nào đó không khí bốc lên lạnh đoạn đƣờng dz, thì công nguyên tố đƣợc thực hiện: đi, đến lên lạnh đi, đến điểm sƣơng, tức trở lên bão hòa. Mực này dw = [g(T - T')/T']dz (5.31) gọi là mực ngƣng kết. với dz = -dp/(ρg); ρ = P/RkkT' Ta có : 101102 103102
Giáo trình Vật lý khí quyển Giáo trình Vật lý khí quyển Lnp 5.2.2. Những quá trình đoạn nhiệt giả H p2 Giả sử khối không khí khô bốc lên một cách đoạn nhiệt khô D tới một độ cao nào đó dƣới mực ngƣng kết, rồi sau đó hạ xuống, trở (F >0) về vị trí ban đầu: Cả quá trình thuận (bốc lên) và nghịch (hạ xuống), khối M N không khí cho sẵn đó đi qua những trạng thái (khác nhau) trung T gian. Nhiệt độ không khí ở cùng những độ cao khi bốc lên và hạ C xuống đều là một và không khí trở về vị trí ban đầu với nhiệt độ mà p1 nó bắt đầu bốc lên gọi là quá trình thuận nghịch. E B F Khu n¨ng lưîng ©m (F 0, tức là khối không khí có núi (Hình 5.6). năng lƣợng của độ không bền vững, đảm bảo cho đối lƣu thẳng đứng diễn ra. Nếu tầng kết nằm bên phải thì khí quyển có tầng kết bền vững, năng lƣợng của độ không bền vững âm (F < 0). Do đó, để tạo thành gia tốc thẳng đứng cần có công của lực bên ngoài nhƣ năng lƣợng mặt trời dồn tới. 103104 105104
Giáo trình Vật lý khí quyển Giáo trình Vật lý khí quyển Lnp 5.2.2. Những quá trình đoạn nhiệt giả H p2 Giả sử khối không khí khô bốc lên một cách đoạn nhiệt khô D tới một độ cao nào đó dƣới mực ngƣng kết, rồi sau đó hạ xuống, trở (F >0) về vị trí ban đầu: Cả quá trình thuận (bốc lên) và nghịch (hạ xuống), khối M N không khí cho sẵn đó đi qua những trạng thái (khác nhau) trung T gian. Nhiệt độ không khí ở cùng những độ cao khi bốc lên và hạ C xuống đều là một và không khí trở về vị trí ban đầu với nhiệt độ mà p1 nó bắt đầu bốc lên gọi là quá trình thuận nghịch. E B F Khu n¨ng lưîng ©m (F 0, tức là khối không khí có núi (Hình 5.6). năng lƣợng của độ không bền vững, đảm bảo cho đối lƣu thẳng đứng diễn ra. Nếu tầng kết nằm bên phải thì khí quyển có tầng kết bền vững, năng lƣợng của độ không bền vững âm (F < 0). Do đó, để tạo thành gia tốc thẳng đứng cần có công của lực bên ngoài nhƣ năng lƣợng mặt trời dồn tới. 103104 105104
Giáo trình Vật lý khí quyển Giáo trình Vật lý khí quyển 5.2.3. Độ cao của mực ngưng kết Dòng không khí thăng bị lạnh đi khi lên cao, đến một độ cao nào đó đạt trạng thái bão hoà. Độ cao h đó gọi là mực ngƣng kết. Giả sử hạt không khí thăng lên từ bề mặt trái đất z = 0, có nhiệt độ là T0, áp suất p0, độ ẩm tƣơng đối 0, sức trƣơng e0 và điểm sƣơng 0. Hơi nƣớc trong không khí thăng đƣợc nở ra và đến độ cao ngƣng kết, sức trƣơng hơi nƣớc sẽ là: Hình 5.6 eh = eo (Ph /P0) (5.35) Khi bốc lên nó lạnh đi theo quy luật đoạn nhiệt ẩm, khoảng Ph là áp suất ở mực ngƣng kết. Vì eh < e0 tƣơng ứng với độ 0 0 0,5 /100m, thì trên đỉnh núi nhiệt độ không khí là 0 C, còn sức cao h, điểm sƣơng h -(t -  ) trƣơng hơi nƣớc e (tƣơng đƣơng với trạng thái bão hoà) là sẽ thấp hơn 0 (theo e = E() = E(t). e ) thì: 4,6mmHg ( 6,1 mb). Hơi nƣớc còn lại chứa trong không khí (12,8 λ(η - η ) Ph /P0 = (eh /eo) e h o (5.36) – 4,6 = 8,2 mmHg) sẽ phải ngƣng kết lại. Nếu hơi ẩm ngƣng kết rơi xuống toàn bộ dƣới dạng mƣa trên sƣờn đón gió thì không khí hạ Sử dụng công thức: xuống theo sƣờn khuất gió không còn bão hoà nữa. Nhiệt độ của nó -h/H P /P = e (H: Thang độ cao, theo (2.16), H = R T/g) sẽ tăng theo quy luật đoạn nhiệt khô đƣợc 10 trên 100m và không h 0 kk khí xuống tới chân núi với nhiệt độ T = 300C. Sức trƣơng hơi nƣớc λ(η0 - ηh) = h/H hay h = Hλ(η0 - ηh) (5.37) e vẫn giữ nguyên nhƣ ở trên đỉnh núi 4,6mmHg, trong trƣờng hợp mà không có sự biến đổi của khí áp. Còn nếu kể cả sự tăng khí áp Mức ngƣng kết sẽ đạt đƣợc ở nơi mà sự lạnh đi đoạn nhiệt từ 3000m xuống chân núi thì sức trƣơng hơi nƣớc e sẽ là γa trên một đơn vị độ cao làm giảm nhiệt độ từ T0 đến ηh. Nghĩa là 6,6mmHg. trên độ cao Sức trƣơng bão hoà ở nhiệt độ 300C là 31,8mm. Do đó, độ ẩm tƣơng đối của không khí hạ xuống còn f = 20% thôi. h = (T0 - ηh)/γa (5.38) Dòng không khí đi xuống đó, kèm với nhiệt độ cao, độ khô Theo (5.37) và (5.38) lớn và trời quang gọi là gió phơn (quan sát thấy ở miền núi). h = (T - η )/γ + (η - η )/γ = (T - η )/γ + h/(γ Hλ) (5.39) Từ 3000m xuống, áp suất không khí tăng lên dp = -ρgdz 0 0 a 0 h a 0 0 a a dp = -[p/(RkkT)]gdz h[1 – 1/(γaHλ)] = (T0 - η0)/γa Sức trƣơng hơi nƣớc e tăng lên: h = (T0 - η0)/{γa[1 – 1/(γaHλ)]} = -lnfo/(γaλ - 1/H) (5.40) de = -[e/(RkkT)]gdz = 2 mmHg, (e = 0  4,6mmHg, T = 30 , dp = de). [ Vì ln = -λ(t - η)] Công thức (5.40) là công thức rút gọn để xác định độ cao mực ngƣng kết h, thông qua độ ẩm tƣơng đối ban đầu 0 (trên mặt đất). 105106 107106
Giáo trình Vật lý khí quyển Giáo trình Vật lý khí quyển 5.2.3. Độ cao của mực ngưng kết Dòng không khí thăng bị lạnh đi khi lên cao, đến một độ cao nào đó đạt trạng thái bão hoà. Độ cao h đó gọi là mực ngƣng kết. Giả sử hạt không khí thăng lên từ bề mặt trái đất z = 0, có nhiệt độ là T0, áp suất p0, độ ẩm tƣơng đối 0, sức trƣơng e0 và điểm sƣơng 0. Hơi nƣớc trong không khí thăng đƣợc nở ra và đến độ cao ngƣng kết, sức trƣơng hơi nƣớc sẽ là: Hình 5.6 eh = eo (Ph /P0) (5.35) Khi bốc lên nó lạnh đi theo quy luật đoạn nhiệt ẩm, khoảng Ph là áp suất ở mực ngƣng kết. Vì eh < e0 tƣơng ứng với độ 0 0 0,5 /100m, thì trên đỉnh núi nhiệt độ không khí là 0 C, còn sức cao h, điểm sƣơng h -(t -  ) trƣơng hơi nƣớc e (tƣơng đƣơng với trạng thái bão hoà) là sẽ thấp hơn 0 (theo e = E() = E(t). e ) thì: 4,6mmHg ( 6,1 mb). Hơi nƣớc còn lại chứa trong không khí (12,8 λ(η - η ) Ph /P0 = (eh /eo) e h o (5.36) – 4,6 = 8,2 mmHg) sẽ phải ngƣng kết lại. Nếu hơi ẩm ngƣng kết rơi xuống toàn bộ dƣới dạng mƣa trên sƣờn đón gió thì không khí hạ Sử dụng công thức: xuống theo sƣờn khuất gió không còn bão hoà nữa. Nhiệt độ của nó -h/H P /P = e (H: Thang độ cao, theo (2.16), H = R T/g) sẽ tăng theo quy luật đoạn nhiệt khô đƣợc 10 trên 100m và không h 0 kk khí xuống tới chân núi với nhiệt độ T = 300C. Sức trƣơng hơi nƣớc λ(η0 - ηh) = h/H hay h = Hλ(η0 - ηh) (5.37) e vẫn giữ nguyên nhƣ ở trên đỉnh núi 4,6mmHg, trong trƣờng hợp mà không có sự biến đổi của khí áp. Còn nếu kể cả sự tăng khí áp Mức ngƣng kết sẽ đạt đƣợc ở nơi mà sự lạnh đi đoạn nhiệt từ 3000m xuống chân núi thì sức trƣơng hơi nƣớc e sẽ là γa trên một đơn vị độ cao làm giảm nhiệt độ từ T0 đến ηh. Nghĩa là 6,6mmHg. trên độ cao Sức trƣơng bão hoà ở nhiệt độ 300C là 31,8mm. Do đó, độ ẩm tƣơng đối của không khí hạ xuống còn f = 20% thôi. h = (T0 - ηh)/γa (5.38) Dòng không khí đi xuống đó, kèm với nhiệt độ cao, độ khô Theo (5.37) và (5.38) lớn và trời quang gọi là gió phơn (quan sát thấy ở miền núi). h = (T - η )/γ + (η - η )/γ = (T - η )/γ + h/(γ Hλ) (5.39) Từ 3000m xuống, áp suất không khí tăng lên dp = -ρgdz 0 0 a 0 h a 0 0 a a dp = -[p/(RkkT)]gdz h[1 – 1/(γaHλ)] = (T0 - η0)/γa Sức trƣơng hơi nƣớc e tăng lên: h = (T0 - η0)/{γa[1 – 1/(γaHλ)]} = -lnfo/(γaλ - 1/H) (5.40) de = -[e/(RkkT)]gdz = 2 mmHg, (e = 0  4,6mmHg, T = 30 , dp = de). [ Vì ln = -λ(t - η)] Công thức (5.40) là công thức rút gọn để xác định độ cao mực ngƣng kết h, thông qua độ ẩm tƣơng đối ban đầu 0 (trên mặt đất). 105106 107106
Giáo trình Vật lý khí quyển Giáo trình Vật lý khí quyển 5.3. Nhiệt độ thế vị, sự trao đổi về nhiệt độ tương đương Từ (5.41) lấy logarit 2 vế và vi phân theo z   5.3.1. Nhiệt độ thế vị  (1/ )d /dz = (1/T)dT/dz + (Rkk/Cp)g/(RkkT) = (1/T)(dT/dz + γa) Nhiệt độ thế vi  là nhiệt độ mà một khối không khí thu đƣợc (5.43) nếu ta đƣa nó một cách đoạn nhiệt về áp suất thƣờng (1000mb). Hay  γa  γa γ (5.44) Nhiệt độ thế vi  là nhiệt độ mà một khối không khí thu đƣợc nếu Từ đó ta thấy: ta đƣa nó một cách đoạn nhiệt về áp suất thƣờng (1000mb). d /dz = (Ɵ/T)(dT/dz + ) = ( /T)( - ) 1) Khi cân bằng bền γ 0, nhiệt độ thế vị tăng Nhiệt độ thế vi  là nhiệt độ mà một khối không khí thu đƣợc nếu a theo độ cao. ta đƣa nó một cách đoạn nhiệt về áp suất thƣờng (1000mb). d /dz 2) γ = γa  0  = hằng số. Sự biến thiên của nhiệt độ trong quá trình đoạn nhiệt đƣợc 3) Khi cân bằng không bền γ ( /T) thế vị cần tìm (theo thang độ tuyệt đối). 5.3.2. Sự biến đổi của nhiệt độ thế vị Theo độ lớn của gradient đoạn nhiệt γa có thể xác định: Mọi phần tử không khí khi bốc lên cao đều lạnh đi một cách đoạn nhiệt, do đó nó mang đến cho những lớp không khí nằm  = T + γaZ (5.42) ở trên một nhiệt độ thấp hơn rất nhiều so với nhiệt độ của những Với z là độ cao của điểm cho sẵn trên mặt biển (1000mb) lớp khí quyển nóng bên dƣới mà từ đó phần tử không khí này bốc ra. Khi trộn lẫn và trao đổi nhiệt với không khí xung quanh, phần tử ở dƣới đi lên thƣờng có tác dụng không phải làm nóng mà là làm lạnh những lớp nằm ở trên. Cũng theo cách đó, phần tử không Z khí hạ xuống cũng thƣờng có tác dụng làm nóng những lớp bên dƣới mà chúng trộn lẫn. Vì khi hạ xuống không khí tăng nhiệt độ T T một cách đoạn nhiệt.  Hình 5.7 Khi trao đổi loạn lƣu với các khối không khí xung quanh sẽ truyền nhiệt cho nhau và tầng kết nhiệt độ sẽ dần dần thay đổi cho Xác định  theo đồ thị tỷ lệ xích 100m trục tung và 10 trục 0 tới khi thiết lập một gradient nhiệt độ thẳng đứng bằng gradient hoành, tại điểm có toạ độ T và Z vẽ đƣờng có góc 45 với trục hoành đoạn nhiệt khô, tức là nhiệt độ giảm 10 trên 100m. Những chuyển cắt trục hoành tại điểm có nhiệt độ  cần tìm. động loạn lƣu có tầng kết nhƣ vậy sẽ không còn ảnh hƣởng đến + Tính chất cơ bản của nhiệt độ thế vị là nó giữ không đổi nhiệt độ vì khi phần tử không khí lên xuống đều bằng nhiệt độ trong tất cả các di chuyển đoạn nhiệt của khối không khí khô cho không khí xung quanh (đẳng nhiệt). sẵn. 107108 109108
Giáo trình Vật lý khí quyển Giáo trình Vật lý khí quyển 5.3. Nhiệt độ thế vị, sự trao đổi về nhiệt độ tương đương Từ (5.41) lấy logarit 2 vế và vi phân theo z   5.3.1. Nhiệt độ thế vị  (1/ )d /dz = (1/T)dT/dz + (Rkk/Cp)g/(RkkT) = (1/T)(dT/dz + γa) Nhiệt độ thế vi  là nhiệt độ mà một khối không khí thu đƣợc (5.43) nếu ta đƣa nó một cách đoạn nhiệt về áp suất thƣờng (1000mb). Hay  γa  γa γ (5.44) Nhiệt độ thế vi  là nhiệt độ mà một khối không khí thu đƣợc nếu Từ đó ta thấy: ta đƣa nó một cách đoạn nhiệt về áp suất thƣờng (1000mb). d /dz = (Ɵ/T)(dT/dz + ) = ( /T)( - ) 1) Khi cân bằng bền γ 0, nhiệt độ thế vị tăng Nhiệt độ thế vi  là nhiệt độ mà một khối không khí thu đƣợc nếu a theo độ cao. ta đƣa nó một cách đoạn nhiệt về áp suất thƣờng (1000mb). d /dz 2) γ = γa  0  = hằng số. Sự biến thiên của nhiệt độ trong quá trình đoạn nhiệt đƣợc 3) Khi cân bằng không bền γ ( /T) thế vị cần tìm (theo thang độ tuyệt đối). 5.3.2. Sự biến đổi của nhiệt độ thế vị Theo độ lớn của gradient đoạn nhiệt γa có thể xác định: Mọi phần tử không khí khi bốc lên cao đều lạnh đi một cách đoạn nhiệt, do đó nó mang đến cho những lớp không khí nằm  = T + γaZ (5.42) ở trên một nhiệt độ thấp hơn rất nhiều so với nhiệt độ của những Với z là độ cao của điểm cho sẵn trên mặt biển (1000mb) lớp khí quyển nóng bên dƣới mà từ đó phần tử không khí này bốc ra. Khi trộn lẫn và trao đổi nhiệt với không khí xung quanh, phần tử ở dƣới đi lên thƣờng có tác dụng không phải làm nóng mà là làm lạnh những lớp nằm ở trên. Cũng theo cách đó, phần tử không Z khí hạ xuống cũng thƣờng có tác dụng làm nóng những lớp bên dƣới mà chúng trộn lẫn. Vì khi hạ xuống không khí tăng nhiệt độ T T một cách đoạn nhiệt.  Hình 5.7 Khi trao đổi loạn lƣu với các khối không khí xung quanh sẽ truyền nhiệt cho nhau và tầng kết nhiệt độ sẽ dần dần thay đổi cho Xác định  theo đồ thị tỷ lệ xích 100m trục tung và 10 trục 0 tới khi thiết lập một gradient nhiệt độ thẳng đứng bằng gradient hoành, tại điểm có toạ độ T và Z vẽ đƣờng có góc 45 với trục hoành đoạn nhiệt khô, tức là nhiệt độ giảm 10 trên 100m. Những chuyển cắt trục hoành tại điểm có nhiệt độ  cần tìm. động loạn lƣu có tầng kết nhƣ vậy sẽ không còn ảnh hƣởng đến + Tính chất cơ bản của nhiệt độ thế vị là nó giữ không đổi nhiệt độ vì khi phần tử không khí lên xuống đều bằng nhiệt độ trong tất cả các di chuyển đoạn nhiệt của khối không khí khô cho không khí xung quanh (đẳng nhiệt). sẵn. 107108 109108
Giáo trình Vật lý khí quyển Giáo trình Vật lý khí quyển Nếu trong khí quyển có tầng kết không bền vững (γ > 5.3.3. Nhiệt độ tương đương và nhiệt độ thế vị tương đương 10/100m) thì đối lƣu và sự trao đổi sẽ hun nóng các lớp trên cao và làm lạnh những lớp dƣới thấp. Trái lại, sự trao đổi loạn lƣu khi có Nhiệt độ không khí khô là chỉ số nội năng của nó. Không khí tầng kết bền vững (γ 0), thông lƣợng nhiệt sẽ hƣớng từ trên xuống dƣới, còn L(calo/g) là ẩn nhiệt ngƣng kết, khi nhiệt độ thế vị giảm theo độ cao (d/dz < 0) thì thông lƣợng c là nhiệt dung của không khí (c = 273 calo/kg). nhiệt sẽ hƣớng lên trên. p p Khi đó, toàn bộ lƣợng ẩn nhiệt trong 1 kg không khí bằng Nhƣ vậy thông lƣợng nhiệt loạn lƣu - đối lƣu trong khí Lq, còn độ tăng nhiệt độ do lƣợng nhiệt đó gây ra là: ΔT = Lq/c quyển phụ thuộc vào gradient nhiệt độ thế vị. p Do đó, nhiệt độ tƣơng đƣơng là: (L = 600calo/g). Q = - Acd/dz (5.45) Te = T + ΔT = T + Lq/cp = T + 2,52q (5.48) Theo (5.44) Q = -Ac(/T)(γa - γ) = Ac(/T)(γ-γa) (5.46) Áp dụng công thức Poát- xông để tìm nhiệt độ thế vị tƣơng Tuy nhiên, trên thực tế thông lƣợng nhiệt sẽ hƣớng lên trên 0 đƣơng e là: khi có những gradient lớn hơn đại lƣợng γ0 0,6 /100m và khi có những gradient nhỏ hơn 0,60/100m, nhiệt mới lan truyền từ trên Rkk/Cp (Cp-Cv)/Cp e = Te(p/po) = Te(p/po) (5.49) xuống dƣới. Các phần tử không khí nóng hơn có khuynh hƣớng di chuyển chủ yếu lên trên, còn lạnh hơn di chuyển xuống dƣới. Hoặc một cách gần đúng là: 0 Đại lƣợng γ0 0,6 /100m gọi là "gradient cân bằng" khoảng e = Te + γa z (5.50) nhỏ hơn γa và khi đó công thức trao đổi nhiệt trong khí quyển sẽ có dạng. Nhƣ vậy, nhiệt độ thế vị tƣơng đƣơng là nhiệt độ mà không khí thu đƣợc khi trong mình nó toàn bộ hơi nƣớc ngƣng kết lại và Q = Ac(/T)(γ-γo) (5.47) sau đó không khí trở thành khô đƣợc đƣa một cách đoạn nhiệt về áp suất thƣờng. Trong quá trình đoạn nhiệt khô, nhiệt độ thế vị của khối không khí giữ không đổi, còn trong quá trình đoạn nhiệt ẩm, nhiệt độ thế vị biến đổi, nó tăng lên nhờ ẩn nhiệt toả ra. 109110 111110
Giáo trình Vật lý khí quyển Giáo trình Vật lý khí quyển Nếu trong khí quyển có tầng kết không bền vững (γ > 5.3.3. Nhiệt độ tương đương và nhiệt độ thế vị tương đương 10/100m) thì đối lƣu và sự trao đổi sẽ hun nóng các lớp trên cao và làm lạnh những lớp dƣới thấp. Trái lại, sự trao đổi loạn lƣu khi có Nhiệt độ không khí khô là chỉ số nội năng của nó. Không khí tầng kết bền vững (γ 0), thông lƣợng nhiệt sẽ hƣớng từ trên xuống dƣới, còn L(calo/g) là ẩn nhiệt ngƣng kết, khi nhiệt độ thế vị giảm theo độ cao (d/dz < 0) thì thông lƣợng c là nhiệt dung của không khí (c = 273 calo/kg). nhiệt sẽ hƣớng lên trên. p p Khi đó, toàn bộ lƣợng ẩn nhiệt trong 1 kg không khí bằng Nhƣ vậy thông lƣợng nhiệt loạn lƣu - đối lƣu trong khí Lq, còn độ tăng nhiệt độ do lƣợng nhiệt đó gây ra là: ΔT = Lq/c quyển phụ thuộc vào gradient nhiệt độ thế vị. p Do đó, nhiệt độ tƣơng đƣơng là: (L = 600calo/g). Q = - Acd/dz (5.45) Te = T + ΔT = T + Lq/cp = T + 2,52q (5.48) Theo (5.44) Q = -Ac(/T)(γa - γ) = Ac(/T)(γ-γa) (5.46) Áp dụng công thức Poát- xông để tìm nhiệt độ thế vị tƣơng Tuy nhiên, trên thực tế thông lƣợng nhiệt sẽ hƣớng lên trên 0 đƣơng e là: khi có những gradient lớn hơn đại lƣợng γ0 0,6 /100m và khi có những gradient nhỏ hơn 0,60/100m, nhiệt mới lan truyền từ trên Rkk/Cp (Cp-Cv)/Cp e = Te(p/po) = Te(p/po) (5.49) xuống dƣới. Các phần tử không khí nóng hơn có khuynh hƣớng di chuyển chủ yếu lên trên, còn lạnh hơn di chuyển xuống dƣới. Hoặc một cách gần đúng là: 0 Đại lƣợng γ0 0,6 /100m gọi là "gradient cân bằng" khoảng e = Te + γa z (5.50) nhỏ hơn γa và khi đó công thức trao đổi nhiệt trong khí quyển sẽ có dạng. Nhƣ vậy, nhiệt độ thế vị tƣơng đƣơng là nhiệt độ mà không khí thu đƣợc khi trong mình nó toàn bộ hơi nƣớc ngƣng kết lại và Q = Ac(/T)(γ-γo) (5.47) sau đó không khí trở thành khô đƣợc đƣa một cách đoạn nhiệt về áp suất thƣờng. Trong quá trình đoạn nhiệt khô, nhiệt độ thế vị của khối không khí giữ không đổi, còn trong quá trình đoạn nhiệt ẩm, nhiệt độ thế vị biến đổi, nó tăng lên nhờ ẩn nhiệt toả ra. 109110 111110
Giáo trình Vật lý khí quyển Giáo trình Vật lý khí quyển Do đó đối với quá trình đoạn nhiệt ẩm, nhiệt độ thế vị tƣơng tƣơng đƣơng. Nhiệt độ thế vị tƣơng đƣơng là tính chất cố định (bảo đƣơng giữ vai trò của nhiệt độ thế vị. Nó giữ không đổi trong tất cả toàn) của các khối không khí. các biến đổi đoạn nhiệt và đoạn nhiệt giả của trạng thái của phần Tóm lại: Nhiệt độ thế vị tƣơng đƣơng của mặt khối không khí tử không khí. giữ không đổi trong mọi di chuyển thẳng đứng bất kỳ không phụ Z thuộc vào quá trình đoạn nhiệt khô, đoạn nhiệt ẩm hay đoạn nhiệt giả và không phụ thuộc vào mực đi lên cuối cùng của khối không khí. Nó chỉ có thể biến đổi dƣới ảnh hƣởng của các quá trình bức C QuáQu¸ trìnhtr×nh đoạn®o¹n nhiệtnhiÖt giảgi¶ vàvµ nhiệtnhiÖt độ®é thếthÕ vịvÞ tươngt- ¬ng đương®- ¬ng xạ và cả của sự trao đổi nhiệt với mặt đệm hoặc do lƣợng chứa hơi ẩm tăng lên nhờ sự bốc hơi từ mặt đất. M N B 5.4. Phân bố nhiệt độ theo độ cao trong khí quyển (lớp A D sát đất, lớp biên, đối lƣu hạn) 0 T0 T 5.4.1. Thay đổi nhiệt độ theo độ cao trong lớp không khí Hình 5.8 sát đất Giả sử không khí ẩm chƣa bão hoà với nhiệt độ T0, độ ẩm Lớp sát mặt đất có bề dày từ 1 - 1,5m với chế độ nhiệt phản riêng q0 và nhiệt độ tƣơng đƣơng e0 = T0 + 2,52q0 bắt đầu bốc lên một cách đoạn nhiệt [z = 0, nhiệt độ thế vị  = T và thế vị tƣơng ánh tất cả các đặc điểm địa phƣơng: Tính chất của đất, lớp phủ, cây 0 0 cối và tính chất của nó, điều kiện địa hình đƣơng e0 = Te0]. Trạng thái của nó biến đổi ban đầu theo đoạn nhiệt khô AB Do ma sát với mặt đất nên tốc độ gió tới gần mặt đất thì giảm với q0 không đổi, sau đó theo đoạn nhiệt ẩm BC với độ lớn của q mạnh, và ở lớp mỏng sát đất, chuyển động ngang của không khí ngày càng giảm cho tới khi toàn bộ hơi nƣớc đã ngƣng kết lại (q = hầu nhƣ hoàn toàn ngừng lại. Do đó sự trao đổi loạn lƣu giữa các 0, tại C). Nhiệt độ thế vị của không khí lúc đầu 0 = T0, lên trên lớp gần mặt đất và khí quyển tự do cũng yếu đi nhiều và có các mực ngƣng kết bắt đầu tăng và khi toàn bộ hơi nƣớc đã ngƣng kết gradient nhiệt độ thẳng đứng rất lớn. lại thì nó trở nên bằng e0 = Te0 = T0 + 2,52q0. Ban ngày khi sự chiếu nắng chiếm ƣu thế, những phần tử Sau đó ta hạ không khí khô - đã mất hơi nƣớc tới mực ban không khí ở sát đất nóng lên mạnh, nhƣng càng xa mặt đất về phía đầu. Trạng thái của nó khi hạ xuống sẽ không thay đổi theo đoạn trên, nhiệt độ giảm nhanh đến 5-100 lên độ cao 0,5m, nghĩa là γ = nhiệt khô CD và cuối cùng sẽ là nhiệt độ thế vị tƣơng đƣơng ban 1000- 20000 độ/100m. Biết rằng khi  > 3,4độ/100m thì mật độ đầu e0 = Te0 = T0 + 2,52q0. Đoạn AD là độ lớn của e0 - T0 là độ không khí tăng theo độ cao, đối lƣu xuất hiện, có khuynh hƣớng tăng nhiệt độ nhờ ẩn nhiệt toả ra (tức là 2,52q0). phân phối lại các khối không khí theo độ cao và làm mất trạng thái Mọi đoạn thẳng vạch ở một mực bất kỳ giữa các đƣờng đoạn bền vững đã tạo ra. Trong ngày trời nóng nhìn thấy những dòng nhiệt đi lên và đi xuống song song với trục hoành. nhỏ rung rinh, đan lẫn vào nhau, tầng kết nhiệt rất không bền vững. Ví dụ: MN cùng là độ lớn của phần cộng thêm (2,52q) cho tới nhiệt độ tƣơng đƣơng đối với mực cho sẵn. Ban đêm, khi trời quang đãng, dƣới tác dụng của sự bức xạ, Việc chuyển từ một điểm bất kỳ trên đƣờng trạng thái ABC đất lạnh đi nhiều. Sự lạnh đó truyền cho không khí sát đất bằng dẫn bằng cách cộng thêm đại lƣợng tƣơng ứng 2,52q (đoạn MN) để thu nhiệt. Cho nên, ban đêm, nhiệt độ ở lớp sát đất tăng theo độ cao- đƣợc nhiệt độ tƣơng đƣơng bao giờ cũng đƣa tới đƣờng đoạn nhiệt hình thành một lớp nghịch nhiệt. Tầng kết này bền vững (đối lập CD. Khi đi xuống theo đƣờng này sẽ tới cùng một nhiệt độ thế vị với tầng kết ban ngày). 111112 113112
Giáo trình Vật lý khí quyển Giáo trình Vật lý khí quyển Do đó đối với quá trình đoạn nhiệt ẩm, nhiệt độ thế vị tƣơng tƣơng đƣơng. Nhiệt độ thế vị tƣơng đƣơng là tính chất cố định (bảo đƣơng giữ vai trò của nhiệt độ thế vị. Nó giữ không đổi trong tất cả toàn) của các khối không khí. các biến đổi đoạn nhiệt và đoạn nhiệt giả của trạng thái của phần Tóm lại: Nhiệt độ thế vị tƣơng đƣơng của mặt khối không khí tử không khí. giữ không đổi trong mọi di chuyển thẳng đứng bất kỳ không phụ Z thuộc vào quá trình đoạn nhiệt khô, đoạn nhiệt ẩm hay đoạn nhiệt giả và không phụ thuộc vào mực đi lên cuối cùng của khối không C Qu¸ tr×nh ®o¹n nhiÖt gi¶ vµ khí. Nó chỉ có thể biến đổi dƣới ảnh hƣởng của các quá trình bức nhiÖt ®é thÕ vÞ t- ¬ng ®- ¬ng xạ và cả của sự trao đổi nhiệt với mặt đệm hoặc do lƣợng chứa hơi ẩm tăng lên nhờ sự bốc hơi từ mặt đất. M N B 5.4. Phân bố nhiệt độ theo độ cao trong khí quyển (lớp A D sát đất, lớp biên, đối lƣu hạn) 0 T0 T 5.4.1. Thay đổi nhiệt độ theo độ cao trong lớp không khí Hình 5.8 sát đất Giả sử không khí ẩm chƣa bão hoà với nhiệt độ T0, độ ẩm Lớp sát mặt đất có bề dày từ 1 - 1,5m với chế độ nhiệt phản riêng q0 và nhiệt độ tƣơng đƣơng e0 = T0 + 2,52q0 bắt đầu bốc lên một cách đoạn nhiệt [z = 0, nhiệt độ thế vị  = T và thế vị tƣơng ánh tất cả các đặc điểm địa phƣơng: Tính chất của đất, lớp phủ, cây 0 0 cối và tính chất của nó, điều kiện địa hình đƣơng e0 = Te0]. Trạng thái của nó biến đổi ban đầu theo đoạn nhiệt khô AB Do ma sát với mặt đất nên tốc độ gió tới gần mặt đất thì giảm với q0 không đổi, sau đó theo đoạn nhiệt ẩm BC với độ lớn của q mạnh, và ở lớp mỏng sát đất, chuyển động ngang của không khí ngày càng giảm cho tới khi toàn bộ hơi nƣớc đã ngƣng kết lại (q = hầu nhƣ hoàn toàn ngừng lại. Do đó sự trao đổi loạn lƣu giữa các 0, tại C). Nhiệt độ thế vị của không khí lúc đầu 0 = T0, lên trên lớp gần mặt đất và khí quyển tự do cũng yếu đi nhiều và có các mực ngƣng kết bắt đầu tăng và khi toàn bộ hơi nƣớc đã ngƣng kết gradient nhiệt độ thẳng đứng rất lớn. lại thì nó trở nên bằng e0 = Te0 = T0 + 2,52q0. Ban ngày khi sự chiếu nắng chiếm ƣu thế, những phần tử Sau đó ta hạ không khí khô - đã mất hơi nƣớc tới mực ban không khí ở sát đất nóng lên mạnh, nhƣng càng xa mặt đất về phía đầu. Trạng thái của nó khi hạ xuống sẽ không thay đổi theo đoạn trên, nhiệt độ giảm nhanh đến 5-100 lên độ cao 0,5m, nghĩa là γ = nhiệt khô CD và cuối cùng sẽ là nhiệt độ thế vị tƣơng đƣơng ban 1000- 20000 độ/100m. Biết rằng khi  > 3,4độ/100m thì mật độ đầu e0 = Te0 = T0 + 2,52q0. Đoạn AD là độ lớn của e0 - T0 là độ không khí tăng theo độ cao, đối lƣu xuất hiện, có khuynh hƣớng tăng nhiệt độ nhờ ẩn nhiệt toả ra (tức là 2,52q0). phân phối lại các khối không khí theo độ cao và làm mất trạng thái Mọi đoạn thẳng vạch ở một mực bất kỳ giữa các đƣờng đoạn bền vững đã tạo ra. Trong ngày trời nóng nhìn thấy những dòng nhiệt đi lên và đi xuống song song với trục hoành. nhỏ rung rinh, đan lẫn vào nhau, tầng kết nhiệt rất không bền vững. Ví dụ: MN cùng là độ lớn của phần cộng thêm (2,52q) cho tới nhiệt độ tƣơng đƣơng đối với mực cho sẵn. Ban đêm, khi trời quang đãng, dƣới tác dụng của sự bức xạ, Việc chuyển từ một điểm bất kỳ trên đƣờng trạng thái ABC đất lạnh đi nhiều. Sự lạnh đó truyền cho không khí sát đất bằng dẫn bằng cách cộng thêm đại lƣợng tƣơng ứng 2,52q (đoạn MN) để thu nhiệt. Cho nên, ban đêm, nhiệt độ ở lớp sát đất tăng theo độ cao- đƣợc nhiệt độ tƣơng đƣơng bao giờ cũng đƣa tới đƣờng đoạn nhiệt hình thành một lớp nghịch nhiệt. Tầng kết này bền vững (đối lập CD. Khi đi xuống theo đƣờng này sẽ tới cùng một nhiệt độ thế vị với tầng kết ban ngày). 111112 113112
Giáo trình Vật lý khí quyển Giáo trình Vật lý khí quyển Sự phân bố nhiệt độ theo độ cao ở lớp sát đất trong trƣờng Điều đó giải thích tại sao gradient thẳng đứng tăng theo độ hợp riêng biệt thay đổi phụ thuộc vào điều kiện thời tiết và địa cao từ 0,50/100m ở độ cao 2 - 3km tới 0,70/100m ở độ cao 7 - 8km. hình nhỏ. Khi chuyển sang tầng bình lƣu, sự giảm nhiệt độ ngừng lại và Cây cối cũng mang lại những biến đổi độc đáo trong hình đƣợc thay thế khá đột ngột bằng một đẳng nhiệt hoặc một nghịch dạng của phân bố nhiệt. Bề mặt của bản thân các cây cối trở thành nhiệt yếu (có khi lên tới 30- 40km). mặt hoạt động trực tiếp chịu tác động bức xạ (có thể quan sát thấy nhiệt độ cực đại ban ngày bên trong lớp cây cối và thấp nhất về ban Điều kiện nhiệt ở đây do những quá trình bức xạ, cụ thể là do đêm cùng ở đó). Chuyển động hỗn loạn của không khí do đối lƣu trạng thái cân bằng bức xạ gây nên. và loạn lƣu cũng gây ra những biến đổi lớn của phân bố nhiệt độ theo độ cao. Lớp chuyển tiếp ở biên giới giữa tầng đối lƣu và tầng bình lƣu gọi là đối lƣu hạn hoặc tầng phó bình lƣu. 5.4.2. Thay đổi nhiệt độ theo độ cao trong khí quyển tự do Độ cao của đối lƣu hạn (HT) ở những vĩ độ khác nhau thì rất Đặc điểm đặc trƣng của tầng đối lƣu là nhiệt độ giảm khác nhau. Ở nhiệt đới đối lƣu hạn cao hơn rất nhiều so với cực đới theo độ cao. Tuy nhiên, gradient nhiệt độ thẳng đứng trong tầng là do các dòng đối lƣu (thăng) phát triển rất mạnh ở gần xích đạo. đối lƣu thay đổi tuỳ theo các lớp độ cao trên mặt đất, tuỳ theo thời Về mùa đông đối lƣu hạn cũng thấp hơn về mùa hè (mùa hè nó gian trong ngày, năm và những điều kiện thời tiết. đƣợc nâng lên cao- biến trình năm của đối lƣu hạn) 0 Đối với tất cả các hiện tƣợng vật lý của tầng đối lƣu thì lớp Ở nhiệt đới HT từ 17 – 17,5km, nhiệt độ < -80 C trên có độ cao đến 1,5- 2,0km gọi là lớp biên (phần dƣới cùng của Ở ngoài vùng nhiệt đới HT từ 9 - 11km (có khi về mùa đông lớp biên là lớp sát mặt đất từ 1,0 – 1,5m đến 2,0m). Trong lớp biên 0 0 xuống tới 8,4km), nhiệt độ từ -60 đến -65 C. có các dòng đối lƣu lớn trao đổi về nhiệt, cũng nhƣ hơi nƣớc và các chuyển động từ mặt đất. Độ lớn của gradient nhiệt độ thẳng đứng Trong vùng nhiệt đới có các vận chuyển kinh hƣớng mạnh và đƣợc xác định thông qua những điều kiện đối lƣu và mức độ phát không đồng đều trên các độ cao và hình thành các lớp đối lƣu hạn triển của loạn lƣu. Nói chung, phụ thuộc nhiều vào địa hình và tính (đối lƣu hạn nhiều lớp). Ở đây tạo ra loạn lƣu (phân kỳ) lớn và chất của bề mặt trái đất (địa phƣơng) - (mặt trải dƣới đất). chuyển động thẳng đứng. Dƣới tác dụng của mặt trải dƣới, gradient nhiệt độ thẳng Kết hợp các nghiên cứu về Ozon, có thể nói, đối lƣu hạn chính là đứng có biến trình hàng ngày và hàng năm, biểu hiện rõ rệt ở lớp 0 đáy của lớp Ozon tầng bình lƣu. Cùng với sự tăng thẳng đứng của Ozon dƣới thấp nhất tới 500m, gradient nhiệt lên tới 1,5 /100m về mùa thì nhiệt độ cũng tăng trong tầng bình lƣu. hè vào ban ngày (do chiếu nắng), còn về mùa đông vào ban đêm gradient chuyển sang giá trị âm (nghịch nhiệt). 5.5. Các khối không khí nóng, lạnh và các nghịch Ở phần giữa của tầng đối lƣu (2 - 9km) độ lớn của gradient nhiệt nhiệt độ thẳng đứng phụ thuộc chủ yếu vào sự trao đổi loạn lƣu. Do kết quả trao đổi thƣờng xuyên, các gradient phát triển gần tới 5.5.1. Các khối không khí nóng, lạnh gradient đoạn nhiệt chủ yếu là đoạn nhiệt ẩm vì trong tầng này Đặc điểm của tầng kết nhiệt độ của khí quyển có liên thƣờng hay xẩy ra ngƣng kết- (hình thành nhiều đám mây). Khi quan mật thiết với các kiểu không khí trong tầng đối lƣu. Các khối nhiệt độ giảm, độ lớn của gradient đoạn nhiệt ẩm tăng lên. không khí di chuyển đƣợc chia thành 2 loại: không khí nóng và lạnh. 113114 115114
Giáo trình Vật lý khí quyển Giáo trình Vật lý khí quyển Sự phân bố nhiệt độ theo độ cao ở lớp sát đất trong trƣờng Điều đó giải thích tại sao gradient thẳng đứng tăng theo độ hợp riêng biệt thay đổi phụ thuộc vào điều kiện thời tiết và địa cao từ 0,50/100m ở độ cao 2 - 3km tới 0,70/100m ở độ cao 7 - 8km. hình nhỏ. Khi chuyển sang tầng bình lƣu, sự giảm nhiệt độ ngừng lại và Cây cối cũng mang lại những biến đổi độc đáo trong hình đƣợc thay thế khá đột ngột bằng một đẳng nhiệt hoặc một nghịch dạng của phân bố nhiệt. Bề mặt của bản thân các cây cối trở thành nhiệt yếu (có khi lên tới 30- 40km). mặt hoạt động trực tiếp chịu tác động bức xạ (có thể quan sát thấy nhiệt độ cực đại ban ngày bên trong lớp cây cối và thấp nhất về ban Điều kiện nhiệt ở đây do những quá trình bức xạ, cụ thể là do đêm cùng ở đó). Chuyển động hỗn loạn của không khí do đối lƣu trạng thái cân bằng bức xạ gây nên. và loạn lƣu cũng gây ra những biến đổi lớn của phân bố nhiệt độ theo độ cao. Lớp chuyển tiếp ở biên giới giữa tầng đối lƣu và tầng bình lƣu gọi là đối lƣu hạn hoặc tầng phó bình lƣu. 5.4.2. Thay đổi nhiệt độ theo độ cao trong khí quyển tự do Độ cao của đối lƣu hạn (HT) ở những vĩ độ khác nhau thì rất Đặc điểm đặc trƣng của tầng đối lƣu là nhiệt độ giảm khác nhau. Ở nhiệt đới đối lƣu hạn cao hơn rất nhiều so với cực đới theo độ cao. Tuy nhiên, gradient nhiệt độ thẳng đứng trong tầng là do các dòng đối lƣu (thăng) phát triển rất mạnh ở gần xích đạo. đối lƣu thay đổi tuỳ theo các lớp độ cao trên mặt đất, tuỳ theo thời Về mùa đông đối lƣu hạn cũng thấp hơn về mùa hè (mùa hè nó gian trong ngày, năm và những điều kiện thời tiết. đƣợc nâng lên cao- biến trình năm của đối lƣu hạn) 0 Đối với tất cả các hiện tƣợng vật lý của tầng đối lƣu thì lớp Ở nhiệt đới HT từ 17 – 17,5km, nhiệt độ < -80 C trên có độ cao đến 1,5- 2,0km gọi là lớp biên (phần dƣới cùng của Ở ngoài vùng nhiệt đới HT từ 9 - 11km (có khi về mùa đông lớp biên là lớp sát mặt đất từ 1,0 – 1,5m đến 2,0m). Trong lớp biên 0 0 xuống tới 8,4km), nhiệt độ từ -60 đến -65 C. có các dòng đối lƣu lớn trao đổi về nhiệt, cũng nhƣ hơi nƣớc và các chuyển động từ mặt đất. Độ lớn của gradient nhiệt độ thẳng đứng Trong vùng nhiệt đới có các vận chuyển kinh hƣớng mạnh và đƣợc xác định thông qua những điều kiện đối lƣu và mức độ phát không đồng đều trên các độ cao và hình thành các lớp đối lƣu hạn triển của loạn lƣu. Nói chung, phụ thuộc nhiều vào địa hình và tính (đối lƣu hạn nhiều lớp). Ở đây tạo ra loạn lƣu (phân kỳ) lớn và chất của bề mặt trái đất (địa phƣơng) - (mặt trải dƣới đất). chuyển động thẳng đứng. Dƣới tác dụng của mặt trải dƣới, gradient nhiệt độ thẳng Kết hợp các nghiên cứu về Ozon, có thể nói, đối lƣu hạn chính là đứng có biến trình hàng ngày và hàng năm, biểu hiện rõ rệt ở lớp 0 đáy của lớp Ozon tầng bình lƣu. Cùng với sự tăng thẳng đứng của Ozon dƣới thấp nhất tới 500m, gradient nhiệt lên tới 1,5 /100m về mùa thì nhiệt độ cũng tăng trong tầng bình lƣu. hè vào ban ngày (do chiếu nắng), còn về mùa đông vào ban đêm gradient chuyển sang giá trị âm (nghịch nhiệt). 5.5. Các khối không khí nóng, lạnh và các nghịch Ở phần giữa của tầng đối lƣu (2 - 9km) độ lớn của gradient nhiệt nhiệt độ thẳng đứng phụ thuộc chủ yếu vào sự trao đổi loạn lƣu. Do kết quả trao đổi thƣờng xuyên, các gradient phát triển gần tới 5.5.1. Các khối không khí nóng, lạnh gradient đoạn nhiệt chủ yếu là đoạn nhiệt ẩm vì trong tầng này Đặc điểm của tầng kết nhiệt độ của khí quyển có liên thƣờng hay xẩy ra ngƣng kết- (hình thành nhiều đám mây). Khi quan mật thiết với các kiểu không khí trong tầng đối lƣu. Các khối nhiệt độ giảm, độ lớn của gradient đoạn nhiệt ẩm tăng lên. không khí di chuyển đƣợc chia thành 2 loại: không khí nóng và lạnh. 113114 115114
Giáo trình Vật lý khí quyển Giáo trình Vật lý khí quyển Khối không khí nóng là khối không khí di chuyển từ vùng 5.5.2. Những nghịch nhiệt nóng hơn sang vùng lạnh hơn. Nhiệt độ của những lớp bên dƣới của khối không khí đó cao hơn nhiệt độ của mặt trải dƣới mà trên Những lớp nghịch nhiệt là những lớp có tầng kết bền vững đó khối không khí di chuyển. nhất, cản trở sự lan tràn của những chuyển động đối lƣu, những chuyển động này nhanh chóng ngừng lại trong những lớp nghịch Khối không khí lạnh là khối không khí di chuyển từ vùng nhiệt đó, cho nên những lớp nghịch nhiệt đƣợc mang tên là những lạnh sang vùng nóng hơn. Do đó nhiệt độ của nó thấp hơn nhiệt độ lớp "giữ lại" (γ < 0). của mặt trải dƣới. Theo nguồn gốc hình thành, có thể phân biệt những kiểu Nhờ sự trao đổi nhiệt của không khí đối với đất, nên trong lúc nghịch nhiệt sau: di chuyển khối không khí biến tính dần và tầng kết của nó thay đổi. 5.5.2.1. Nghịch nhiệt kiểu bức xạ Nhƣ vậy, những khối không khí nóng khi di chuyển, liên tục lạnh đi ở những phần bên dƣới của nó. Còn những lớp trên cao thì Chủ yếu xảy ra ở sát đất, chúng hình thành do mặt đất bức lạnh đi ít hơn rất nhiều. Do đó, hiệu các nhiệt độ giữa các phần bên xạ thƣờng vào ban đêm hoặc mùa đông. dƣới và phần bên trên nhỏ đi. Cuối cùng, khối không khí nóng dần dần thu đƣợc một tầng kết bền vững với những gradient thẳng đứng Ban đêm, khi trời quang và thời tiết yên tĩnh, rất thƣờng hay nhỏ. tạo thành một nghịch nhiệt sát đất. Bề dầy của lớp nghịch nhiệt không lớn (mấy mét hoặc mấy chục mét). Lúc mặt trời mọc, các Những khối không khí lạnh thì trái lại, nóng lên mạnh ở lớp không khí nóng lên, nghịch nhiệt tan rã nhanh chóng. những lớp bên dƣới, trong khi đó nhiệt độ ở lớp bên trên thay đổi ít. Do đó trong khối không khí lạnh xuất hiện gradient nhiệt độ Mùa đông, khi có thời tiết quang đãng ổn định trong mấy thẳng đứng lớn và có một tầng kết không bền vững. ngày, nghịch nhiệt có thể lan lên rất cao, vì độ bức xạ cả trong những giờ ban ngày cũng vƣợt quá độ chiếu nắng. Nghịch nhiệt Km mùa đông có thể lên tới mấy trăm mét và thậm chí cao hơn 1,5km. B B2 5.5.2.2. Nghịch nhiệt ở phơ- rông B1 1 Những nghịch nhiệt này có liên quan tới mặt phân cách giữa các khối không khí nóng và lạnh. Các khối không khí lạnh nằm ở 2 dƣới với dạng một các nêm nhọn, bên trên là không khí nóng. Giới hạn phân cách giữa chúng - phơ rông- là một lớp chuyển tiếp dày A1 A A2 T mấy chục mét hoặc mấy trăm mét, trong đó ta thấy có nghịch nhiệt (hoặc đẳng nhiệt -phụ thuộc vào tính chất tầng kết nhiệt trong Hình 5.9 không khí nóng và lạnh). Ví dụ tầng kết của khối không khí là AB, khi dịch chuyển về Giả sử có các tầng kết nhiệt độ của các khối không khí nóng phía lạnh hơn (khối không khí nóng) đến A1B1 (A dịch chuyển nhiều hơn B) và khi dịch chuyển về phía nóng hơn (không khí và lạnh ABCD, tầng kết không khí lạnh AB, không khí nóng CD lạnh) đƣợc A2B2 các đƣờng trạng thái tƣơng ứng là A1B1 và Lớp trung gian có độ dầy Z1Z2 sẽ có tầng kết là đoạn EF có A2B2 thể có nghịch nhiệt lớn, có thể đẳng nhiệt và cũng có thể có sự giảm nhiệt độ rất chậm theo độ cao. A1B1 bền vững, A2B2 không bền vững (góc nhọn hơn AB) Đối với không khí nóng γ = 0,3 – 0,50/100m còn không khí lạnh γ = 0,7 – 1,00/100m. 115116 117116
Giáo trình Vật lý khí quyển Giáo trình Vật lý khí quyển Khối không khí nóng là khối không khí di chuyển từ vùng 5.5.2. Những nghịch nhiệt nóng hơn sang vùng lạnh hơn. Nhiệt độ của những lớp bên dƣới của khối không khí đó cao hơn nhiệt độ của mặt trải dƣới mà trên Những lớp nghịch nhiệt là những lớp có tầng kết bền vững đó khối không khí di chuyển. nhất, cản trở sự lan tràn của những chuyển động đối lƣu, những chuyển động này nhanh chóng ngừng lại trong những lớp nghịch Khối không khí lạnh là khối không khí di chuyển từ vùng nhiệt đó, cho nên những lớp nghịch nhiệt đƣợc mang tên là những lạnh sang vùng nóng hơn. Do đó nhiệt độ của nó thấp hơn nhiệt độ lớp "giữ lại" (γ < 0). của mặt trải dƣới. Theo nguồn gốc hình thành, có thể phân biệt những kiểu Nhờ sự trao đổi nhiệt của không khí đối với đất, nên trong lúc nghịch nhiệt sau: di chuyển khối không khí biến tính dần và tầng kết của nó thay đổi. 5.5.2.1. Nghịch nhiệt kiểu bức xạ Nhƣ vậy, những khối không khí nóng khi di chuyển, liên tục lạnh đi ở những phần bên dƣới của nó. Còn những lớp trên cao thì Chủ yếu xảy ra ở sát đất, chúng hình thành do mặt đất bức lạnh đi ít hơn rất nhiều. Do đó, hiệu các nhiệt độ giữa các phần bên xạ thƣờng vào ban đêm hoặc mùa đông. dƣới và phần bên trên nhỏ đi. Cuối cùng, khối không khí nóng dần dần thu đƣợc một tầng kết bền vững với những gradient thẳng đứng Ban đêm, khi trời quang và thời tiết yên tĩnh, rất thƣờng hay nhỏ. tạo thành một nghịch nhiệt sát đất. Bề dầy của lớp nghịch nhiệt không lớn (mấy mét hoặc mấy chục mét). Lúc mặt trời mọc, các Những khối không khí lạnh thì trái lại, nóng lên mạnh ở lớp không khí nóng lên, nghịch nhiệt tan rã nhanh chóng. những lớp bên dƣới, trong khi đó nhiệt độ ở lớp bên trên thay đổi ít. Do đó trong khối không khí lạnh xuất hiện gradient nhiệt độ Mùa đông, khi có thời tiết quang đãng ổn định trong mấy thẳng đứng lớn và có một tầng kết không bền vững. ngày, nghịch nhiệt có thể lan lên rất cao, vì độ bức xạ cả trong những giờ ban ngày cũng vƣợt quá độ chiếu nắng. Nghịch nhiệt Km mùa đông có thể lên tới mấy trăm mét và thậm chí cao hơn 1,5km. B B2 5.5.2.2. Nghịch nhiệt ở phơ- rông B1 1 Những nghịch nhiệt này có liên quan tới mặt phân cách giữa các khối không khí nóng và lạnh. Các khối không khí lạnh nằm ở 2 dƣới với dạng một các nêm nhọn, bên trên là không khí nóng. Giới hạn phân cách giữa chúng - phơ rông- là một lớp chuyển tiếp dày A1 A A2 T mấy chục mét hoặc mấy trăm mét, trong đó ta thấy có nghịch nhiệt (hoặc đẳng nhiệt -phụ thuộc vào tính chất tầng kết nhiệt trong Hình 5.9 không khí nóng và lạnh). Ví dụ tầng kết của khối không khí là AB, khi dịch chuyển về Giả sử có các tầng kết nhiệt độ của các khối không khí nóng phía lạnh hơn (khối không khí nóng) đến A1B1 (A dịch chuyển nhiều hơn B) và khi dịch chuyển về phía nóng hơn (không khí và lạnh ABCD, tầng kết không khí lạnh AB, không khí nóng CD lạnh) đƣợc A2B2 các đƣờng trạng thái tƣơng ứng là A1B1 và Lớp trung gian có độ dầy Z1Z2 sẽ có tầng kết là đoạn EF có A2B2 thể có nghịch nhiệt lớn, có thể đẳng nhiệt và cũng có thể có sự giảm nhiệt độ rất chậm theo độ cao. A1B1 bền vững, A2B2 không bền vững (góc nhọn hơn AB) Đối với không khí nóng γ = 0,3 – 0,50/100m còn không khí lạnh γ = 0,7 – 1,00/100m. 115116 117116
Giáo trình Vật lý khí quyển Giáo trình Vật lý khí quyển Z D Z D Z D những vùng phía Bắc ở xa hơn vẫn còn tuyết phủ. Nếu gió Nam thổi thì không khí nóng sẽ tràn lên lớp tuyết phủ, lớp không khí B B B dƣới sẽ lạnh đi do chạm tuyết, trong khi bên trên vẫn nóng hình Z2 F Z2 F Z F 2 thành nghịch nhiệt. Z1 Z1 Z E 1 5.5.2.5. Nghịch nhiệt Co E 0 0 0 E Nghịch nhiệt kiểu này có liên quan với sự hạ xuống đoạn A C T A C T A C nhiệt của những khối không khí có tầng kết bền vững (γ 1. Các giá trị ở khối không khí mới   Hình 5.11 A'B'C"D' tƣơng ứng là h', 1', 2'. Do khối không khí hạ xuống một cách đoạn nhiệt, nên nhiệt độ thế vị không thay đổi 1' = 1, 2' = - Đƣờng tầng kết ban đầu AB 2 - Đƣờng tầng kết đã thiết lập trong lớp xáo trộn CD Khi đó gradient nhiệt độ thế vị trung bình: - Lớp chuyển tiếp bên trên lớp xáo trộn loạn lƣu tầng kết là - Ở vị trí ban đầu: γ = ( -  )/h (5.51) DE, là nghịch nhiệt đã hình thành trong lớp đó. 2 1 - Ở vị trí mới: γ' = (2' - 1')/h' (5.52) 5.5.2.4. Những nghịch nhiệt mùa xuân hoặc nghịch nhiệt tuyết Vì h' < h, nên γ < γ' (5.53) Nghĩa là, sau khi hạ xuống, đại lƣợng γ' tăng lên và có thể trở Nghịch nhiệt này liên quan tới bình lƣu không khí nóng. Khi 0 mặt đất hết tuyết, đất đƣợc mặt trời hun nóng nhanh chóng và nên lớn hơn 1 /100m. Sự tăng nhiệt độ thế vị đó tƣơng ứng với một không khí thu đƣợc những nhiệt độ tƣơng đối cao. Trong khi đó ở nghịch nhiệt, gọi là nghịch nhiệt Co. 117118 119118
Giáo trình Vật lý khí quyển Giáo trình Vật lý khí quyển Z D Z D Z D những vùng phía Bắc ở xa hơn vẫn còn tuyết phủ. Nếu gió Nam thổi thì không khí nóng sẽ tràn lên lớp tuyết phủ, lớp không khí B B B dƣới sẽ lạnh đi do chạm tuyết, trong khi bên trên vẫn nóng hình Z2 F Z2 F Z F 2 thành nghịch nhiệt. Z1 Z1 Z E 1 5.5.2.5. Nghịch nhiệt Co E 0 0 0 E Nghịch nhiệt kiểu này có liên quan với sự hạ xuống đoạn A C T A C T A C nhiệt của những khối không khí có tầng kết bền vững (γ 1. Các giá trị ở khối không khí mới   Hình 5.11 A'B'C"D' tƣơng ứng là h', 1', 2'. Do khối không khí hạ xuống một cách đoạn nhiệt, nên nhiệt độ thế vị không thay đổi 1' = 1, 2' = - Đƣờng tầng kết ban đầu AB 2 - Đƣờng tầng kết đã thiết lập trong lớp xáo trộn CD Khi đó gradient nhiệt độ thế vị trung bình: - Lớp chuyển tiếp bên trên lớp xáo trộn loạn lƣu tầng kết là - Ở vị trí ban đầu: γ = ( -  )/h (5.51) DE, là nghịch nhiệt đã hình thành trong lớp đó. 2 1 - Ở vị trí mới: γ' = (2' - 1')/h' (5.52) 5.5.2.4. Những nghịch nhiệt mùa xuân hoặc nghịch nhiệt tuyết Vì h' < h, nên γ < γ' (5.53) Nghĩa là, sau khi hạ xuống, đại lƣợng γ' tăng lên và có thể trở Nghịch nhiệt này liên quan tới bình lƣu không khí nóng. Khi 0 mặt đất hết tuyết, đất đƣợc mặt trời hun nóng nhanh chóng và nên lớn hơn 1 /100m. Sự tăng nhiệt độ thế vị đó tƣơng ứng với một không khí thu đƣợc những nhiệt độ tƣơng đối cao. Trong khi đó ở nghịch nhiệt, gọi là nghịch nhiệt Co. 117118 119118
Giáo trình Vật lý khí quyển Giáo trình Vật lý khí quyển CHƢƠNG VI: ĐỘNG LỰC HỌC KHÍ QUYỂN V = ρdxdydz Fx = -(1/ρ)∂p/∂x (lực tác động lên 1 đơn vị thể tích theo hƣớng trục x). Tƣơng tự nhƣ thế đối với các trục y và 6.1. Các lực tác động lên khối không khí trong khí z ta đƣợc công thức (6.1) quyển 6.1.2. Trọng lực Có một số lực tác động lên các hạt không khí trong khí quyển, đó là: lực phát động của gradient khí áp; trọng lực (không Trọng lực chính là lực (g) tác động lên 1 đơn vị thể tích khí đứng yên); lực làm lệch do sự quay của trái đất; lực li tâm và theo trục z và hƣớng xuống dƣới. Trong trƣờng hợp đơn vị khối lực ma sát (ma sát phân tử, ma sát loạn lƣu); thuỷ động lực từ (làm lƣợng đứng yên: cho chuyển động đã xuất hiện bị lệch hƣớng hoặc kìm hãm). Fz = 0 gz = -(1/ρ)∂p/∂z = (g) (6.2) 6.1.1. Lực phát động của gradient khí áp 6.1.3. Lực lệch do trái đất quay Lực phát động của gradient khí áp tác động lên một đơn vị (lực gradient luôn hƣớng vào vùng có áp suất giảm và vuông góc Nếu trên bề mặt trái đất quay với vận tốc góc  có một vật với các đƣờng đẳng áp). chuyển động với vận tốc C so với trái đất thì theo lý thuyết cơ học sẽ có một lực tác động lên 1 đơn vị khối lƣợng cuả vật đó là: Fx = -(1/ρ)∂p/∂x A = [C 2ω] (6.3) Fy = -(1/ρ)∂p/∂y Gọi là lực Côri ôlít hoặc lực làm lệch do lực quay trái đất. Fz = -(1/ρ)∂p/∂z - g (6.1) N B' D'  z   C ' x z z A' p + dp y o B y p dz D A dy  C dx C x A x Hình 6.1 Áp suất tác động lên bề mặt AA'BB' là pdzdy Áp suất tác động lên bề mặt CC'DD' là (p + ∂p/∂x)dydz Tổng cộng là tác động lên thể tích hộp dxdydz một lực theo S hƣớng trục x là: Hình 6.2 FxV = [p – (p + ∂p/∂x)dx]dydz = -(∂p/∂x)dxdydz 119120 121120
Giáo trình Vật lý khí quyển Giáo trình Vật lý khí quyển CHƢƠNG VI: ĐỘNG LỰC HỌC KHÍ QUYỂN V = ρdxdydz Fx = -(1/ρ)∂p/∂x (lực tác động lên 1 đơn vị thể tích theo hƣớng trục x). Tƣơng tự nhƣ thế đối với các trục y và 6.1. Các lực tác động lên khối không khí trong khí z ta đƣợc công thức (6.1) quyển 6.1.2. Trọng lực Có một số lực tác động lên các hạt không khí trong khí quyển, đó là: lực phát động của gradient khí áp; trọng lực (không Trọng lực chính là lực (g) tác động lên 1 đơn vị thể tích khí đứng yên); lực làm lệch do sự quay của trái đất; lực li tâm và theo trục z và hƣớng xuống dƣới. Trong trƣờng hợp đơn vị khối lực ma sát (ma sát phân tử, ma sát loạn lƣu); thuỷ động lực từ (làm lƣợng đứng yên: cho chuyển động đã xuất hiện bị lệch hƣớng hoặc kìm hãm). Fz = 0 gz = -(1/ρ)∂p/∂z = (g) (6.2) 6.1.1. Lực phát động của gradient khí áp 6.1.3. Lực lệch do trái đất quay Lực phát động của gradient khí áp tác động lên một đơn vị (lực gradient luôn hƣớng vào vùng có áp suất giảm và vuông góc Nếu trên bề mặt trái đất quay với vận tốc góc  có một vật với các đƣờng đẳng áp). chuyển động với vận tốc C so với trái đất thì theo lý thuyết cơ học sẽ có một lực tác động lên 1 đơn vị khối lƣợng cuả vật đó là: Fx = -(1/ρ)∂p/∂x A = [C 2ω] (6.3) Fy = -(1/ρ)∂p/∂y Gọi là lực Côri ôlít hoặc lực làm lệch do lực quay trái đất. Fz = -(1/ρ)∂p/∂z - g (6.1) N B' D'  z   C ' x z z A' p + dp y o B y p dz D A dy  C dx C x A x Hình 6.1 Áp suất tác động lên bề mặt AA'BB' là pdzdy Áp suất tác động lên bề mặt CC'DD' là (p + ∂p/∂x)dydz Tổng cộng là tác động lên thể tích hộp dxdydz một lực theo S hƣớng trục x là: Hình 6.2 FxV = [p – (p + ∂p/∂x)dx]dydz = -(∂p/∂x)dxdydz 119120 121120
Giáo trình Vật lý khí quyển Giáo trình Vật lý khí quyển Giả sử có toạ độ với trục Ox hƣớng phía Nam, Oy theo kinh -(1/ρ)∂p/∂x + 2ωvsinθ = 0; (v 0); (Ax = Gx) tuyến về phía Đông, Oz hƣớng lên trên. Khi đó, các véc tơ thành phần của ω là v = vg = [1/(2ωρsinθ)]∂p/∂x (6.6) ωx = -ωcosθ, ωy = 0, ωz = sinθ (6.4) Đối với chuyển động dọc theo trục x tƣơng tự nhƣ vậy: (Ay = Gy) ω = π/86164 = 7,2921 10-5 s-1 (24giờ, 56phút,4 giây = 1ngày đêm) u = ug = -[1/(2ωρsinθ)]∂p/∂y = -[1/(lρ)]∂p/∂y (6.7) Với véc tơ vận tốc C = {Cx,Cy,Cz} theo x, y, z là {u,v,w} Ở đây: l = 2ωsinθ gọi là hệ số Côriôlít Véc tơ lực A = {Ax,Ay,Az} theo x,y,z ug, vg: Là các thành phần của gió địa chuyển theo x và y Gi¶m 1 p Ax = 2(Cxωz - Czωy) = 2ωvsinθ - x p Ay = 2(Czωx - Cxωz) = -2ωwcosθ - 2ωusinθ 2 p = const vg Az = 2(Cxωy - Cyωx) = 2ωvcosθ (6.5) p1 Nhƣ vậy, ở Bắc bán cầu, theo (6.5) thì các chuyển động về Ax phía Đông (v > 0) sẽ bị lệch về phía Nam (Ax > 0), còn các chuyển động về phía Nam (u >0) sẽ bị lệch về phía Tây (Ay 0) đối với gió Tây (v >0) và hƣớng xuống nằm về phía bên trái (ở Bắc bán cầu). Còn ở Nam bán cầu thì vùng dƣới (Az 0) sẽ lệch về phía Tây (Ay 0). tác động lên 1 đơn vị khối lƣợng. 6.1.4. Gió địa chuyển và gió gradient Do đó, chuyển động đƣợc cân bằng dƣới cả tác động của lực gradient, lực Côriôlít và lực li tâm thì đƣợc gọi là (chuyển động) Chuyển động thẳng đồng đều của không khí dƣới tác động gió địa chuyển xoáy hoặc là gió gradient. của lực Côri ôlít và gradient phƣơng ngang của áp suất gọi là gió địa chuyển. + Đối với vùng xoáy thuận - vùng áp thấp ở tâm và lực gradient hƣớng vào tâm của vùng, còn 2 lực khác hƣớng ra ngoài. Giả sử lực gradient áp hƣớng theo trục x và nếu nó cân bằng với lực Côri ôlít thì đối với chuyển động dọc theo trục y sẽ là: Do đó: v2/r + lv - (1/ρ)∂p/∂r = 0 (6.8) 121122 123122
Giáo trình Vật lý khí quyển Giáo trình Vật lý khí quyển Giả sử có toạ độ với trục Ox hƣớng phía Nam, Oy theo kinh -(1/ρ)∂p/∂x + 2ωvsinθ = 0; (v 0); (Ax = Gx) tuyến về phía Đông, Oz hƣớng lên trên. Khi đó, các véc tơ thành phần của ω là v = vg = [1/(2ωρsinθ)]∂p/∂x (6.6) ωx = -ωcosθ, ωy = 0, ωz = sinθ (6.4) Đối với chuyển động dọc theo trục x tƣơng tự nhƣ vậy: (Ay = Gy) ω = π/86164 = 7,2921 10-5 s-1 (24giờ, 56phút,4 giây = 1ngày đêm) u = ug = -[1/(2ωρsinθ)]∂p/∂y = -[1/(lρ)]∂p/∂y (6.7) Với véc tơ vận tốc C = {Cx,Cy,Cz} theo x, y, z là {u,v,w} Ở đây: l = 2ωsinθ gọi là hệ số Côriôlít Véc tơ lực A = {Ax,Ay,Az} theo x,y,z ug, vg: Là các thành phần của gió địa chuyển theo x và y Gi¶m 1 p Ax = 2(Cxωz - Czωy) = 2ωvsinθ - x p Ay = 2(Czωx - Cxωz) = -2ωwcosθ - 2ωusinθ 2 p = const vg Az = 2(Cxωy - Cyωx) = 2ωvcosθ (6.5) p1 Nhƣ vậy, ở Bắc bán cầu, theo (6.5) thì các chuyển động về Ax phía Đông (v > 0) sẽ bị lệch về phía Nam (Ax > 0), còn các chuyển động về phía Nam (u >0) sẽ bị lệch về phía Tây (Ay 0) đối với gió Tây (v >0) và hƣớng xuống nằm về phía bên trái (ở Bắc bán cầu). Còn ở Nam bán cầu thì vùng dƣới (Az 0) sẽ lệch về phía Tây (Ay 0). tác động lên 1 đơn vị khối lƣợng. 6.1.4. Gió địa chuyển và gió gradient Do đó, chuyển động đƣợc cân bằng dƣới cả tác động của lực gradient, lực Côriôlít và lực li tâm thì đƣợc gọi là (chuyển động) Chuyển động thẳng đồng đều của không khí dƣới tác động gió địa chuyển xoáy hoặc là gió gradient. của lực Côri ôlít và gradient phƣơng ngang của áp suất gọi là gió địa chuyển. + Đối với vùng xoáy thuận - vùng áp thấp ở tâm và lực gradient hƣớng vào tâm của vùng, còn 2 lực khác hƣớng ra ngoài. Giả sử lực gradient áp hƣớng theo trục x và nếu nó cân bằng với lực Côri ôlít thì đối với chuyển động dọc theo trục y sẽ là: Do đó: v2/r + lv - (1/ρ)∂p/∂r = 0 (6.8) 121122 123122
Giáo trình Vật lý khí quyển Giáo trình Vật lý khí quyển Trong đó : l = 2sin ; Khi đó tốc độ gió cực đại là: �p thÊp �p cao vcđ = (lr)/2 (6.14) 2sin Thông thƣờng các xoáy nghịch có gradient khí áp nhỏ và 1 p những luồng gió yếu. Còn ngƣợc lại, trong xoáy thuận, không có - 2 2 r giới hạn lý thuyết đối với độ lớn gradient khí áp vì l r /4 + (r/ρ)∂p/∂r luôn dƣơng. vg vg Do đó khi có những gradient lớn thì tốc độ gió đạt giá trị lớn v2 v2 - - r r (đạt tới sức mạnh bão). 1 p - 2sin r 6.1.5. Lực ma sát trong C¸c lùc t¸c ®éng ®èi víi xo¸y thuËn C¸c lùc t¸c ®éng ®èi víi xo¸y nghÞch Không khí không phải là chất khí lý tƣởng và trong đó tồn tại lực ma sát trong đƣợc gây ra bởi độ nhớt phân tử cũng nhƣ độ nhớt Hình 6.4 Hình 6.5 rối. 2 2 1/2 v = -(lr/2) + [l r /4 + (r/ρ)∂p/∂r] (6.9) z - Dòng không khí vòng quanh vùng áp thấp, ngƣợc chiều kim đồng hồ. dz + Đối với vùng xoáy nghịch, vùng áp cao, lực gradient và ly tâm hƣớng ra ngoài, còn lực Côri ôlít hƣớng vào trong. x - Dòng không khí vòng quanh vùng áp cao thuận chiều kim Hình 6.6 đồng hồ. Nếu 2 lớp không khí chuyển động lớp này trên lớp kia- lớp v2/r - lv - (1/ρ)∂p/∂r = 0 (6.10) trên nhanh hơn lớp dƣới. Do chuyển động hỗn loạn nên phân tử từ v = (lr)/2 - [l2r2/4 - (r/ρ)|∂p/∂r|]1/2 (6.11) lớp này vào lớp khác mang theo lƣợng chuyển động phƣơng ngang tƣơng ứng. Vận chuyển đó làm chậm lại chuyển động ở lớp trên và Phƣơng trình (6.10) có nghiệm thực khi biểu thức: tăng cƣờng chuyển động ở lớp dƣới. Cơ chế nhƣ vậy là độ nhớt phân tử. Nếu hai lớp có chuyển động rối thì từng khối không khí l2r2/4 - (r/ρ)|∂p/∂r| 0 (6.12) riêng (xoáy) có thể chuyển từ lớp này tới lớp khác cũng mang theo các lƣợng chuyển động tƣơng ứng. Quá trình đó giống quá trình Có nghiã là trong xoáy nghịch độ lớn của gradient khí áp trên, nhƣng mạnh hơn rất nhiều. không thể lớn hơn một giá trị tới hạn nào đó: Các lực ma sát đƣợc gây ra bởi sức căng nhớt (các ứng suất (r/ρ)|∂p/∂r| ≤ l2r2/4 (6.13) nhớt) đƣợc gọi là các lực ma sát nhớt hay lực ma sát trong. 123124 125124
Giáo trình Vật lý khí quyển Giáo trình Vật lý khí quyển Trong đó : l = 2sin ; Khi đó tốc độ gió cực đại là: �p thÊp �p cao vcđ = (lr)/2 (6.14) 2sin Thông thƣờng các xoáy nghịch có gradient khí áp nhỏ và 1 p những luồng gió yếu. Còn ngƣợc lại, trong xoáy thuận, không có - 2 2 r giới hạn lý thuyết đối với độ lớn gradient khí áp vì l r /4 + (r/ρ)∂p/∂r luôn dƣơng. vg vg Do đó khi có những gradient lớn thì tốc độ gió đạt giá trị lớn v2 v2 - - r r (đạt tới sức mạnh bão). 1 p - 2sin r 6.1.5. Lực ma sát trong C¸c lùc t¸c ®éng ®èi víi xo¸y thuËn C¸c lùc t¸c ®éng ®èi víi xo¸y nghÞch Không khí không phải là chất khí lý tƣởng và trong đó tồn tại lực ma sát trong đƣợc gây ra bởi độ nhớt phân tử cũng nhƣ độ nhớt Hình 6.4 Hình 6.5 rối. 2 2 1/2 v = -(lr/2) + [l r /4 + (r/ρ)∂p/∂r] (6.9) z - Dòng không khí vòng quanh vùng áp thấp, ngƣợc chiều kim đồng hồ. dz + Đối với vùng xoáy nghịch, vùng áp cao, lực gradient và ly tâm hƣớng ra ngoài, còn lực Côri ôlít hƣớng vào trong. x - Dòng không khí vòng quanh vùng áp cao thuận chiều kim Hình 6.6 đồng hồ. Nếu 2 lớp không khí chuyển động lớp này trên lớp kia- lớp v2/r - lv - (1/ρ)∂p/∂r = 0 (6.10) trên nhanh hơn lớp dƣới. Do chuyển động hỗn loạn nên phân tử từ v = (lr)/2 - [l2r2/4 - (r/ρ)|∂p/∂r|]1/2 (6.11) lớp này vào lớp khác mang theo lƣợng chuyển động phƣơng ngang tƣơng ứng. Vận chuyển đó làm chậm lại chuyển động ở lớp trên và Phƣơng trình (6.10) có nghiệm thực khi biểu thức: tăng cƣờng chuyển động ở lớp dƣới. Cơ chế nhƣ vậy là độ nhớt phân tử. Nếu hai lớp có chuyển động rối thì từng khối không khí l2r2/4 - (r/ρ)|∂p/∂r| 0 (6.12) riêng (xoáy) có thể chuyển từ lớp này tới lớp khác cũng mang theo các lƣợng chuyển động tƣơng ứng. Quá trình đó giống quá trình Có nghiã là trong xoáy nghịch độ lớn của gradient khí áp trên, nhƣng mạnh hơn rất nhiều. không thể lớn hơn một giá trị tới hạn nào đó: Các lực ma sát đƣợc gây ra bởi sức căng nhớt (các ứng suất (r/ρ)|∂p/∂r| ≤ l2r2/4 (6.13) nhớt) đƣợc gọi là các lực ma sát nhớt hay lực ma sát trong. 123124 125124
Giáo trình Vật lý khí quyển Giáo trình Vật lý khí quyển Giả sử, đơn giản là gió thổi theo phƣơng ngang dọc trục x và Trong trƣờng hợp, khi chất khí gồm (chứa) những hạt (phần vận tốc phụ thuộc vào độ cao u = u(z), tách ở độ cao z ra một lớp tử) tĩnh điện với độ dẫn điện ζ và chuyển động trong từ trƣờng trái mỏng dz. Nhờ có độ nhớt, nên các ứng suất nhớt η (ten xơ ứng đất và trƣờng tĩnh điện của nó, thì sẽ xuất hiện một lực gọi là lực suất) trên một đơn vị diện tích (1m2) ranh giới dƣới của lớp sẽ thuỷ động từ có hƣớng (tuân theo quy luật bàn tay trái) vuông góc hƣớng ngƣợc lại (cản trở) với hƣớng dòng điện J và các đƣờng lực từ trƣờng. Véc tơ lực bằng: ηzx = -(η∂u/∂z)z (6.15) Fm = μ[JH] (6.21) η: Hệ số nhớt động lực của không khí. Trong đó, H: Véc tơ từ trƣờng, μ: Thẩm thấu từ (đối với chất (Chỉ số đầu của  là hƣớng của vận chuyển, chỉ số thứ 2 là khí) gần bằng 1. hƣớng lƣợng chuyển động đƣợc vận chuyển) Dòng điện lại đƣợc xác định bằng trƣờng tĩnh điện E và 2 Ứng suất bổ sung trên một đơn vị diện tích (1m ) ranh giới chuyển động của chất dẫn (chất khí) với vận tốc V: trên của lớp sẽ là η + dη hƣớng lên phía trƣớc: J = ζE + ζμ[VH] (6.22) (η∂u/∂z)z+dz = (η∂u/∂z)z + (∂/∂z)(η∂u/∂z)dz (6.16) Thay (6.22) vào (6.21) ta đƣợc: Cộng (6.15) và (6.16) rồi chia cho ρdz (khối lƣợng không khí 2 2 2 của lớp có thiết diện 1m và chiều cao dz), ta nhận đƣợc lực tác động Fm = ζμ[(E + μ[VH])H] = ζμ[EtH] – ζμ H 0Vt (6.23) lên đơn vị khối lƣợng theo hƣớng trục x là: Trong đó: Et và Vt là thành phần cắt ngang (vuông góc với từ zx = (1/ρ)∂ηzx/∂z = (1/ρ)(∂/∂z)(η∂u/∂z) (6.17) trƣờng) của điện trƣờng và tốc độ, H0: Cƣờng độ từ trƣờng Trong trƣờng hợp chung, vận tộc phụ thuộc cả vào x và y, đối Từ (6.23) thấy rằng trong từ trƣờng, chuyển động của chất với η = const thì: khí dây dẫn bị hãm lại do độ nhớt từ trƣờng, mà tỷ lệ đối với độ dẫn (điện) và giá trị Vt. Điện trƣờng gây ra sự lệch vuông góc với 2 2 2 2 2 2 2 x = (η/ρ)[∂ u/∂x + ∂ u/∂y + ∂ u/∂z ) = (η/ρ) u điện trƣờng và từ trƣờng. = ν2u (6.18) Sử dụng các biểu thức tƣơng ứng đối với J, Đa-Cu-Trai-ép đã Trong đó: 2 là toán tử Láp Lát, ν = η/ρ là hệ số nhớt động tính đƣợc các thành phần tƣơng ứng của Fm và viết phƣơng trình lực hoặc hệ số rối k. chuyển động phƣơng ngang của chất dây dẫn ở dạng: 2 2 2 du/dt – [(2ωsinθ + (ζ2HoHz)/(ρc )]v + [(ζ1H z)/(ρc )]u=  = ν2v (6.19) y = -(1/ρ)∂p/∂x (6.24) 2 2 2 2 z = ν w (6.20) dv/dt – [(2ωsinθ + (ζ2HoHz)/(ρc )]u + [(ζ1H z)/(ρc )]v = 6.1.6. Lực thuỷ động từ = -(1/ρ)∂p/∂y (6.25) Ở những độ cao hơn nữa, còn có thể có tác động của gió mặt Những lực này ảnh hƣởng đến chuyển động khí quyển ở các trời và của ánh sáng đối với các chất khí mà hấp thụ bức xạ, bị ion lớp cao hơn 100km. hoá. 125126 127126
Giáo trình Vật lý khí quyển Giáo trình Vật lý khí quyển Giả sử, đơn giản là gió thổi theo phƣơng ngang dọc trục x và Trong trƣờng hợp, khi chất khí gồm (chứa) những hạt (phần vận tốc phụ thuộc vào độ cao u = u(z), tách ở độ cao z ra một lớp tử) tĩnh điện với độ dẫn điện ζ và chuyển động trong từ trƣờng trái mỏng dz. Nhờ có độ nhớt, nên các ứng suất nhớt η (ten xơ ứng đất và trƣờng tĩnh điện của nó, thì sẽ xuất hiện một lực gọi là lực suất) trên một đơn vị diện tích (1m2) ranh giới dƣới của lớp sẽ thuỷ động từ có hƣớng (tuân theo quy luật bàn tay trái) vuông góc hƣớng ngƣợc lại (cản trở) với hƣớng dòng điện J và các đƣờng lực từ trƣờng. Véc tơ lực bằng: ηzx = -(η∂u/∂z)z (6.15) Fm = μ[JH] (6.21) η: Hệ số nhớt động lực của không khí. Trong đó, H: Véc tơ từ trƣờng, μ: Thẩm thấu từ (đối với chất (Chỉ số đầu của  là hƣớng của vận chuyển, chỉ số thứ 2 là khí) gần bằng 1. hƣớng lƣợng chuyển động đƣợc vận chuyển) Dòng điện lại đƣợc xác định bằng trƣờng tĩnh điện E và 2 Ứng suất bổ sung trên một đơn vị diện tích (1m ) ranh giới chuyển động của chất dẫn (chất khí) với vận tốc V: trên của lớp sẽ là η + dη hƣớng lên phía trƣớc: J = ζE + ζμ[VH] (6.22) (η∂u/∂z)z+dz = (η∂u/∂z)z + (∂/∂z)(η∂u/∂z)dz (6.16) Thay (6.22) vào (6.21) ta đƣợc: Cộng (6.15) và (6.16) rồi chia cho ρdz (khối lƣợng không khí 2 2 2 của lớp có thiết diện 1m và chiều cao dz), ta nhận đƣợc lực tác động Fm = ζμ[(E + μ[VH])H] = ζμ[EtH] – ζμ H 0Vt (6.23) lên đơn vị khối lƣợng theo hƣớng trục x là: Trong đó: Et và Vt là thành phần cắt ngang (vuông góc với từ zx = (1/ρ)∂ηzx/∂z = (1/ρ)(∂/∂z)(η∂u/∂z) (6.17) trƣờng) của điện trƣờng và tốc độ, H0: Cƣờng độ từ trƣờng Trong trƣờng hợp chung, vận tộc phụ thuộc cả vào x và y, đối Từ (6.23) thấy rằng trong từ trƣờng, chuyển động của chất với η = const thì: khí dây dẫn bị hãm lại do độ nhớt từ trƣờng, mà tỷ lệ đối với độ dẫn (điện) và giá trị Vt. Điện trƣờng gây ra sự lệch vuông góc với 2 2 2 2 2 2 2 x = (η/ρ)[∂ u/∂x + ∂ u/∂y + ∂ u/∂z ) = (η/ρ) u điện trƣờng và từ trƣờng. = ν2u (6.18) Sử dụng các biểu thức tƣơng ứng đối với J, Đa-Cu-Trai-ép đã Trong đó: 2 là toán tử Láp Lát, ν = η/ρ là hệ số nhớt động tính đƣợc các thành phần tƣơng ứng của Fm và viết phƣơng trình lực hoặc hệ số rối k. chuyển động phƣơng ngang của chất dây dẫn ở dạng: 2 2 2 du/dt – [(2ωsinθ + (ζ2HoHz)/(ρc )]v + [(ζ1H z)/(ρc )]u=  = ν2v (6.19) y = -(1/ρ)∂p/∂x (6.24) 2 2 2 2 z = ν w (6.20) dv/dt – [(2ωsinθ + (ζ2HoHz)/(ρc )]u + [(ζ1H z)/(ρc )]v = 6.1.6. Lực thuỷ động từ = -(1/ρ)∂p/∂y (6.25) Ở những độ cao hơn nữa, còn có thể có tác động của gió mặt Những lực này ảnh hƣởng đến chuyển động khí quyển ở các trời và của ánh sáng đối với các chất khí mà hấp thụ bức xạ, bị ion lớp cao hơn 100km. hoá. 125126 127126
Giáo trình Vật lý khí quyển Giáo trình Vật lý khí quyển 2 Hz = - HosinΦ /(1 + 3sin Φ) là thành phần phƣơng đứng của (5) p = ρRkkT (6.32) từ trƣờng phụ thuộc vào Φ. Và phƣơng trình đoạn nhiệt: Φ: Vĩ độ từ trƣờng. Từ (6.25) ở Bắc bán cầu là l = 2ωsinθ (χ-1)/χ > 0, còn Hz 0. Với : χ= C /C , C - C = R 6.2. Hệ các phƣơng trình chuyển động của khí quyển p v p v kk Khi có nguồn nhiệt dQ/dt thì (6.31) đƣợc thay thế bằng 6.2.1. Các phương trình chuyển động của khí quyển dT/dt = [(χ - 1)/χ](T/p)dp/dt + (1/Cp)dQ/dt du/dt = x, dv/dt = y, dw/dt = z (6.26) = [γa/(gρ)]dp/dt + (1/Cp)dQ/dt (6.34) Trong đó: x, y, z là tổng của các thành phần của các lực tác động lên một đơn vị khối lƣợng theo trục x,y,z. Ở đây, dT/dt và dp/dt là các thay đổi toàn phần của nhiệt độ và áp suất. Giả sử chất khí là lý tƣởng, nghĩa là bỏ qua rối, sử dụng (6.1) – (6.5), ta có: Các đạo hàm toàn phần đƣợc viết dƣới dạng: du/dt = -(1/ρ)∂p/∂x + lv, dv/dt = -(1/ρ)∂p/∂y – lu, dw/dt du/dt = ∂u/∂t + u∂u/∂x + v∂u/∂y + w∂u/∂z đối với u, v, w, p, T (6.35) = -(1/ρ)∂p/∂z - g (6.27) Nhƣ vậy hệ phƣơng trình chuyển động có 6 ẩn u, v, w, p, T và ρ trong 6 phƣơng trình (6.28) - (6.33). Trong đó: du/dt, dv/dt, dw/dt là các thành phần gia tốc của chất khí. Trong các phƣơng trình, lực nhớt đƣợc biểu diễn bằng số 2 2 2 hạng (η/ρ)∂ u/∂x ≈ (η/ρ)u/La sẽ tăng, khi giảm La. (La là phạm vi Nếu tính cả độ nhớt và vận tốc w thì phƣơng trình (6.27) của chuyển động - nhiễu động). đƣợc viết lại dƣới dạng: Ví dụ: Đối với chuyển động rối ở lớp dƣới η/ρ = k = 60m2/s khi 2 (1) du/dt = -(1/ρ)∂p/∂x + 2ωvsinθ + (η/ρ) u (6.28) La < 700m và coi l = 0 thì lực nhớt bằng lực gradient. Nhƣ vậy trong chuyển động phạm vi nhỏ, khi bỏ qua lực Côri ôlít (l = 0) thì lực nhớt (2) dv/dt = -(1/ρ)∂p/∂y – 2ωusinθ - 2ωwcosθ + (η/ρ)2v cân bằng với lực gradient. Còn ngƣợc lại, khi L = 1000km (chuyển (6.29) động phạm vi lớn) thì có thể coi tầng đối lƣu không có độ nhớt. Trong khí quyển tầng cao, η/ρ tăng tỷ lệ nghịch với mật độ không khí thì ảnh 2 (3) dw/dt = -(1/ρ)∂p/∂z - g + 2ωvcosθ + (η/ρ) w (6.30) hƣởng của độ nhớt luôn luôn lớn. Trong đó: ν = η/ρ có thể thay bằng hệ số rối k 6.2.2. Phương trình xoáy Vì chất khí là môi trƣờng liên tục, nên có thêm phƣơng Một dạng phƣơng trình chuyển động có ý nghĩa rất lớn đó trình liên tục: là phƣơng trình xoáy vận tốc. Từ (6.27) viết lại dạng: (4) ∂ρ/∂t + ∂(ρu)/∂x + ∂(ρv)/∂y + ∂(ρw)/∂z = 0 (6.31) ∂u/∂t + u∂u/∂x + v∂u/∂y + w∂u/∂z – lv = -(1/ρ)∂p/∂x (6.36) Thêm nữa còn có phƣơng trình trạng thái: 127128 129128
Giáo trình Vật lý khí quyển Giáo trình Vật lý khí quyển 2 Hz = - HosinΦ /(1 + 3sin Φ) là thành phần phƣơng đứng của (5) p = ρRkkT (6.32) từ trƣờng phụ thuộc vào Φ. Và phƣơng trình đoạn nhiệt: Φ: Vĩ độ từ trƣờng. Từ (6.25) ở Bắc bán cầu là l = 2ωsinθ (χ-1)/χ > 0, còn Hz 0. Với : χ= C /C , C - C = R 6.2. Hệ các phƣơng trình chuyển động của khí quyển p v p v kk Khi có nguồn nhiệt dQ/dt thì (6.31) đƣợc thay thế bằng 6.2.1. Các phương trình chuyển động của khí quyển dT/dt = [(χ - 1)/χ](T/p)dp/dt + (1/Cp)dQ/dt du/dt = x, dv/dt = y, dw/dt = z (6.26) = [γa/(gρ)]dp/dt + (1/Cp)dQ/dt (6.34) Trong đó: x, y, z là tổng của các thành phần của các lực tác động lên một đơn vị khối lƣợng theo trục x,y,z. Ở đây, dT/dt và dp/dt là các thay đổi toàn phần của nhiệt độ và áp suất. Giả sử chất khí là lý tƣởng, nghĩa là bỏ qua rối, sử dụng (6.1) – (6.5), ta có: Các đạo hàm toàn phần đƣợc viết dƣới dạng: du/dt = -(1/ρ)∂p/∂x + lv, dv/dt = -(1/ρ)∂p/∂y – lu, dw/dt du/dt = ∂u/∂t + u∂u/∂x + v∂u/∂y + w∂u/∂z đối với u, v, w, p, T (6.35) = -(1/ρ)∂p/∂z - g (6.27) Nhƣ vậy hệ phƣơng trình chuyển động có 6 ẩn u, v, w, p, T và ρ trong 6 phƣơng trình (6.28) - (6.33). Trong đó: du/dt, dv/dt, dw/dt là các thành phần gia tốc của chất khí. Trong các phƣơng trình, lực nhớt đƣợc biểu diễn bằng số 2 2 2 hạng (η/ρ)∂ u/∂x ≈ (η/ρ)u/La sẽ tăng, khi giảm La. (La là phạm vi Nếu tính cả độ nhớt và vận tốc w thì phƣơng trình (6.27) của chuyển động - nhiễu động). đƣợc viết lại dƣới dạng: Ví dụ: Đối với chuyển động rối ở lớp dƣới η/ρ = k = 60m2/s khi 2 (1) du/dt = -(1/ρ)∂p/∂x + 2ωvsinθ + (η/ρ) u (6.28) La < 700m và coi l = 0 thì lực nhớt bằng lực gradient. Nhƣ vậy trong chuyển động phạm vi nhỏ, khi bỏ qua lực Côri ôlít (l = 0) thì lực nhớt (2) dv/dt = -(1/ρ)∂p/∂y – 2ωusinθ - 2ωwcosθ + (η/ρ)2v cân bằng với lực gradient. Còn ngƣợc lại, khi L = 1000km (chuyển (6.29) động phạm vi lớn) thì có thể coi tầng đối lƣu không có độ nhớt. Trong khí quyển tầng cao, η/ρ tăng tỷ lệ nghịch với mật độ không khí thì ảnh 2 (3) dw/dt = -(1/ρ)∂p/∂z - g + 2ωvcosθ + (η/ρ) w (6.30) hƣởng của độ nhớt luôn luôn lớn. Trong đó: ν = η/ρ có thể thay bằng hệ số rối k 6.2.2. Phương trình xoáy Vì chất khí là môi trƣờng liên tục, nên có thêm phƣơng Một dạng phƣơng trình chuyển động có ý nghĩa rất lớn đó trình liên tục: là phƣơng trình xoáy vận tốc. Từ (6.27) viết lại dạng: (4) ∂ρ/∂t + ∂(ρu)/∂x + ∂(ρv)/∂y + ∂(ρw)/∂z = 0 (6.31) ∂u/∂t + u∂u/∂x + v∂u/∂y + w∂u/∂z – lv = -(1/ρ)∂p/∂x (6.36) Thêm nữa còn có phƣơng trình trạng thái: 127128 129128
Giáo trình Vật lý khí quyển Giáo trình Vật lý khí quyển ∂v/∂t + u∂v/∂x + v∂v/∂y + w∂v/∂z + lu = -(1/ρ)∂p/∂y (6.37) Đại lƣợng (z + l) gọi là xoáy tuyệt đối của tốc độ. Gọi z là thành phần phƣơng đứng của xoáy vận tốc. Đại lƣợng [(∂ρ/∂x)(∂p/∂y) - (∂ρ/∂y)(∂p/∂x)] đặc trƣng cho tính chất "tà áp" của khí quyển. Nghĩa là có hình xoắn Selenôit. z = ∂v/∂x - ∂u/∂y. Thấy rằng, v tăng cùng với tăng x (v/x Khí quyển chính áp (barôtrốp) khi [(∂ρ/∂x)(∂p/∂y) - (∂ρ/∂y)(∂p/∂x)] > 0) và u giảm khi tăng y (u/y < 0) trong hệ toạ độ đề các (Hình = 0 và tà áp (barocline), khi [(∂ρ/∂x)(∂p/∂y) - (∂ρ/∂y)(∂p/∂x)] 0. 6.7) tạo thành vòng quay ngƣợc chiều kim đồng hồ (xoáy thuận). Giá trị z còn gọi là xoáy tƣơng đối. Trong nhiều trƣờng hợp ở xa front, núi và tƣơng tự thì thành phần thứ 2 bên phải của (6.40) đƣợc bỏ qua thì: y,v y,v dv (Δ/Δt)(z + l) = (z + l)∂w/∂z (6.41) dy Trong lớp mà: ∂w/∂z = 0 thì (Δ/Δt)(z + l) = 0 Nghĩa là xoáy tuyệt đối không đổi theo thời gian và đƣợc du x,u dx x,u vận chuyển cùng với các hạt không khí. H×nh 6.7 Có thể sử dụng (6.41) để đánh giá về tốc độ phƣơng đứng w Lấy vi phân (6.36) theo y và (6.37) theo x, sau đó trừ (2) cho khi biết sự thay đổi của (z + l). (1), giả sử chuyển động có thể từ vĩ độ này sang vĩ độ khác, nghĩa là l thay đổi: 6.2.3. Độ lệch so với gió địa chuyển (Độ lệch phi địa chuyển) ∂z/∂t + u∂z/∂x + v∂z/∂y + w∂z/∂z + (l + z)(∂u/∂x + ∂v/∂y) + u∂l/∂x = (1/ρ2)[(∂ρ/∂x)(∂p/∂y) - (∂ρ/∂y)(∂p/∂x)] – Hiệu giữa gió thực và gió địa chuyển đƣợc gọi là độ lệch so [(∂w/∂x)(∂v/∂y) - (∂w/∂y)(∂u/∂z)] (6.38) với gió địa chuyển hay độ lệch phi địa chuyển. Nó xuất hiện khi và chỉ khi chuyển động xảy ra có gia tốc và có liên quan chặt chẽ với Với l/y = 0 và l/t = 0, ký hiệu đại lƣợng Δ/Δt qua (∂/∂t + sự phát triển và tắt đi của nhiễu động khí quyển. u∂/∂x + v∂/∂y), bỏ qua thành phần w, thay  bằng ( + l) thì z z Từ biểu thức đối với u và v theo (6.6) và (6.7) và 2 (6.38) tƣơng đƣơng: g g phƣơng trình từ (6.27) ta đƣợc: (Δ/Δt)(z + l) = du/dt = l(v – vg) = lv' và dv/dt = -l(u – ug) = -lu' (6.42)  2 = - ( z + l)(∂u/∂x + ∂v/∂y) + (1/ρ )[(∂ρ/∂x)(∂p/∂y) - ∂ρ/∂y)(∂p/∂x)] Ở đây u',v' là các thành phần của lệch phi địa chuyển, véc tơ (6.39) của chúng đƣợc ký hiệu là C' Sử dụng phƣơng trình liên tục đối với ρ = const. Thay ∂u/∂x + ∂v/∂y = -∂w/∂z, ta có: 2 (Δ/Δt)(z + l) = (z + l)∂w/∂z + (1/ρ )[(∂ρ/∂x)(∂p/∂y) - (∂ρ/∂y)(∂p/∂x)] (6.40) 129130 131130
Giáo trình Vật lý khí quyển Giáo trình Vật lý khí quyển ∂v/∂t + u∂v/∂x + v∂v/∂y + w∂v/∂z + lu = -(1/ρ)∂p/∂y (6.37) Đại lƣợng (z + l) gọi là xoáy tuyệt đối của tốc độ. Gọi z là thành phần phƣơng đứng của xoáy vận tốc. Đại lƣợng [(∂ρ/∂x)(∂p/∂y) - (∂ρ/∂y)(∂p/∂x)] đặc trƣng cho tính chất "tà áp" của khí quyển. Nghĩa là có hình xoắn Selenôit. z = ∂v/∂x - ∂u/∂y. Thấy rằng, v tăng cùng với tăng x (v/x Khí quyển chính áp (barôtrốp) khi [(∂ρ/∂x)(∂p/∂y) - (∂ρ/∂y)(∂p/∂x)] > 0) và u giảm khi tăng y (u/y < 0) trong hệ toạ độ đề các (Hình = 0 và tà áp (barocline), khi [(∂ρ/∂x)(∂p/∂y) - (∂ρ/∂y)(∂p/∂x)] 0. 6.7) tạo thành vòng quay ngƣợc chiều kim đồng hồ (xoáy thuận). Giá trị z còn gọi là xoáy tƣơng đối. Trong nhiều trƣờng hợp ở xa front, núi và tƣơng tự thì thành phần thứ 2 bên phải của (6.40) đƣợc bỏ qua thì: y,v y,v dv (Δ/Δt)(z + l) = (z + l)∂w/∂z (6.41) dy Trong lớp mà: ∂w/∂z = 0 thì (Δ/Δt)(z + l) = 0 Nghĩa là xoáy tuyệt đối không đổi theo thời gian và đƣợc du x,u dx x,u vận chuyển cùng với các hạt không khí. H×nh 6.7 Có thể sử dụng (6.41) để đánh giá về tốc độ phƣơng đứng w Lấy vi phân (6.36) theo y và (6.37) theo x, sau đó trừ (2) cho khi biết sự thay đổi của (z + l). (1), giả sử chuyển động có thể từ vĩ độ này sang vĩ độ khác, nghĩa là l thay đổi: 6.2.3. Độ lệch so với gió địa chuyển (Độ lệch phi địa chuyển) ∂z/∂t + u∂z/∂x + v∂z/∂y + w∂z/∂z + (l + z)(∂u/∂x + ∂v/∂y) + u∂l/∂x = (1/ρ2)[(∂ρ/∂x)(∂p/∂y) - (∂ρ/∂y)(∂p/∂x)] – Hiệu giữa gió thực và gió địa chuyển đƣợc gọi là độ lệch so [(∂w/∂x)(∂v/∂y) - (∂w/∂y)(∂u/∂z)] (6.38) với gió địa chuyển hay độ lệch phi địa chuyển. Nó xuất hiện khi và chỉ khi chuyển động xảy ra có gia tốc và có liên quan chặt chẽ với Với l/y = 0 và l/t = 0, ký hiệu đại lƣợng Δ/Δt qua (∂/∂t + sự phát triển và tắt đi của nhiễu động khí quyển. u∂/∂x + v∂/∂y), bỏ qua thành phần w, thay  bằng ( + l) thì z z Từ biểu thức đối với u và v theo (6.6) và (6.7) và 2 (6.38) tƣơng đƣơng: g g phƣơng trình từ (6.27) ta đƣợc: (Δ/Δt)(z + l) = du/dt = l(v – vg) = lv' và dv/dt = -l(u – ug) = -lu' (6.42)  2 = - ( z + l)(∂u/∂x + ∂v/∂y) + (1/ρ )[(∂ρ/∂x)(∂p/∂y) - ∂ρ/∂y)(∂p/∂x)] Ở đây u',v' là các thành phần của lệch phi địa chuyển, véc tơ (6.39) của chúng đƣợc ký hiệu là C' Sử dụng phƣơng trình liên tục đối với ρ = const. Thay ∂u/∂x + ∂v/∂y = -∂w/∂z, ta có: 2 (Δ/Δt)(z + l) = (z + l)∂w/∂z + (1/ρ )[(∂ρ/∂x)(∂p/∂y) - (∂ρ/∂y)(∂p/∂x)] (6.40) 129130 131130
Giáo trình Vật lý khí quyển Giáo trình Vật lý khí quyển P - 5 u ' v ' 0 C ' C C ' dv  dt P0 du G C ' dt Hình 6.8 P + 5 0 C là véc tơ gia tốc: Hình 6.9b. Hƣớng của véc tơ độ lệch địa chuyển tgβ = (dv/dt)/(du/dt) = tgβ' Từ đó véc tơ C'  C và |C'|/|C| = 1/l (6.43) C' hƣớng sang bên trái của véc tơ gia tốc + Khi phần tử chuyển động vào vùng có gradient khí áp lớn hơn, vì thế tốc độ của nó tăng. P0 + 5 C = dv/dt P0 G C ' P - 5 0 Hình 6.9a. Hƣớng của véc tơ độ lệch địa chuyển Véc tơ C = dv/dt hƣớng về phía chuyển động, còn véc tơ độ lệch phi địa chuyển hƣớng về phía khí áp thấp. + Khi tốc độ của phần tử giảm theo hƣớng chuyển động và véc tơ độ lệch phi địa chuyển hƣớng về khí áp cao. 131132 133132
Giáo trình Vật lý khí quyển Giáo trình Vật lý khí quyển P - 5 u ' v ' 0 C ' C C ' dv  dt P0 du G C ' dt Hình 6.8 P + 5 0 C là véc tơ gia tốc: Hình 6.9b. Hƣớng của véc tơ độ lệch địa chuyển tgβ = (dv/dt)/(du/dt) = tgβ' Từ đó véc tơ C'  C và |C'|/|C| = 1/l (6.43) C' hƣớng sang bên trái của véc tơ gia tốc + Khi phần tử chuyển động vào vùng có gradient khí áp lớn hơn, vì thế tốc độ của nó tăng. P0 + 5 C = dv/dt P0 G C ' P - 5 0 Hình 6.9a. Hƣớng của véc tơ độ lệch địa chuyển Véc tơ C = dv/dt hƣớng về phía chuyển động, còn véc tơ độ lệch phi địa chuyển hƣớng về phía khí áp thấp. + Khi tốc độ của phần tử giảm theo hƣớng chuyển động và véc tơ độ lệch phi địa chuyển hƣớng về khí áp cao. 131132 133132