- 66 - Chơng 3. Cơ chế nhiệt của khí quyển 3.1 Cân bằng năng lợng ton cầu Trong mục ny sẽ trình by một số định luật cơ bản giúp mô tả cơ chế nhiệt của hon lu ton cầu. Trong mục ny chỉ xem xét tới cân bằng năng lợng trung bình ton cầu của khí quyển; trong phần sau sẽ xét tới sự biến đổi địa lý của cân bằng ny. Trong các phần ny sẽ giới thiệu khái niệm về cân bằng bức xạ, chỉ ra qui mô thời gian cần để thiết lập cân bằng ny. Định luật vật lý cơ bản đợc sử dụng l định luật Stefan. Định luật ny phát biểu rằng năng lợng bức xạ phát ra từ một đơn vị diện tích của vật đen tuyệt đối tỷ lệ với luỹ thừa bậc bốn của nhiệt độ 4 TS (3.1) trong đó l hằng số Stefan-Boltzman, có giá trị bằng 5,67x10 -8 Wm -2 K -4 . Đối với mục đích của ta, bề mặt của Trái Đất hay bề mặt của mặt trời đợc xem l vật đen tuyệt đối v tuân theo định luật Stefan. Một vật đen phát ra bức xạ trong một khoảng tần số nhất định, tuy nhiên với một tần số cực đại max . Định luật Wien biểu thị quan hệ giữa tần số max với nhiệt độ của vật đen tuyệt đối nh sau WTv max (3.2) trong đó W l một hằng số, có giá trị bằng 1,035x10 11 K -1 s -1 . Trên Hình 3.1 biểu diễn đồ thị giữa năng lợng v tần số của vật đen ở các nhiệt độ khác nhau. Mặt trời với nhiệt độ bề mặt vo khoảng 5750K, phát xạ chủ yếu ở bớc sóng nhìn thấy v bớc sóng gần hồng ngoại với một cực đại nằm trong phổ của bớc sóng nhìn thấy. Khí quyển sạch gần nh l thấu xạ hon ton đối với các bớc sóng ny, do đó hầu hết các tia mặt trời đạt tới bề mặt đất hoặc ít nhất cũng đạt tới các mực trong tầng đối lu, nơi có đỉnh các đám mây. Thực tế, hầu hết các khí hình thnh nên bầu khí quyển hnh tinh đều hấp thụ rất ít tia bức xạ mặt trời. Bản thân khí quyển với nhiệt độ trung bình vo khoảng 200-300K sẽ phát xạ ở các bớc sóng di hơn, nằm trong phổ hồng ngoại. Khí quyển không thấu xạ đối với các bớc sóng ny. Các thnh phần nh hơi nớc, khí cacbonic, v ozôn (nằm trong tầng bình lu) hấp thụ hầu hết các tia ny. Vì vậy bề mặt không có khả năng phát xạ trực tiếp vo không gian vũ trụ v nhận thêm bức xạ sóng di phát ra từ các lớp nằm phía trên khí quyển. Nhiệt độ của nó sẽ tăng cao hơn giá trị cân bằng đối với một vật thể đứng yên. Khí quyển đóng vai trò nh một lớp vỏ bọc, hấp thụ nhiệt ở gần bề mặt v lm tăng nhiệt độ của khí quyển, hiệu ứng ny thờng đợc gọi l hiệu ứng nh kính. - 67 - Hình 3.1 Đờng cong biểu diễn bức xạ phát ra trên một tần số đơn vị là một hàm của tần số của vật đen với nhiệt độ ứng với 255K và 5750K. Các khái niệm trên có thể đợc mô tả một cách định lợng. Kí hiệu thông lợng bức xạ mặt trời bất kỳ chiếu tới Trái Đất l S; S đôi khi đợc gọi l hằng số mặt trời, thực tế giá trị ny biến đổi trong năm theo sự thay đổi khoảng cách giữa Trái Đất v mặt trời. Giá trị trung bình của S l 1370Wm -2 . Trái Đất với diện tích a 2 vuông góc với tia mặt trời tuy nhiên có tổng diện tích bề mặt l 4 a 2 ; Thông lợng bức xạ trung bình trên một đơn vị diện tích bề mặt Trái Đất sẽ l S/4. Một lợng nhỏ tia bức xạ mặt trời sẽ bị phản xạ ngợc trở lại vo không gian vũ trụ; l albedo, có giá trị 0,29 đối với Trái Đất, tuy nhiên giá trị ny biến đổi theo địa phơng rất mạnh v đóng vai trò khá quan trọng. Albedo của mây hoặc của tuyết mới rơi rất lớn, khoảng 0.9, trong khi đó albedo của rừng hoặc của bề mặt đại dơng nhỏ hơn nhiều, chỉ vo khoảng 0,07. Thông lợng tổng cộng m Trái Đất hấp thụ đợc l I = (1- )S/4; ở trạng thái dừng giá trị ny phải cân bằng với lợng bức xạ hồng ngoại phát ra từ bề mặt Trái Đất. Sử dụng phơng trình (3.1), nhiệt độ trung bình của hệ Trái Đất-khí quyển l 4/1 B 4 S1 T (3.3) Nhiệt độ tính theo cách ny đôi khi đợc gọi l nhiệt độ phát sáng; đây l nhiệt độ m một vật đen có thể có để phát ra cùng giá trị bức xạ hồng ngoại. Thế giá trị ny đối với Trái Đất ta đợc T B = 255K. Nhiệt độ ny nhỏ hơn so với giá trị nhiệt độ trung bình của bề mặt Trái Đất (khoảng 288K). Nhiệt độ phát xạ T B có thể đợc xem nh l nhiệt độ đặc trng của các lớp phía trên của tầng đối lu có thể phát ra bức xạ hồng ngoại trực tiếp vo không gian vũ trụ. Bề mặt v các lớp khí quyển phía dới có nhiệt độ cao hơn vì khí quyển l không thấu xạ đối với bức xạ hồng ngoại. - 68 - Hình 3.2 Mô hình lớp đơn nhất của hệ thống Trái Đất-khí quyển Có thể giải thích đợc điều ny nếu coi khí quyển nh l một lớp khí đồng nhất nằm phía trên bề mặt Trái Đất, nh biểu diễn trên Hình 3.2. Để đơn giản, giả thiết rằng khí quyển l hon ton thấu xạ đối với bức xạ nhìn thấy nhng hấp thụ đợc một phần bức xạ hồng ngoại xuyên qua nó. Mặt đất phát ra bức xạ với tốc độ l U, trong đó một phần (1- ) đi vo không gian vũ trụ, trong khi đó khí quyển bị đốt nóng phát ra bức xạ l B về phía mặt đất v vo không gian vũ trụ. Nhiệt độ của mặt đất l T g v của không khí l T a nhận đợc từ phơng trình (3.1) 4/1 a 4/1 g /BT,/UT (3.4) ở trạng thái dừng, thông lợng bức xạ đi đến v đi ra khỏi bề mặt phải cân bằng với nhau UB 4 S 1 (3.5) thông lợng đi vo v đi ra khỏi khí quyển UB2 (3.6) Rút B từ các phơng trình trên v sử dụng phơng trình (3.3) ta đợc B 4/1 g T 2 2 T (3.7) tơng tự ta có B 4/1 a T 2 T (3.8) Vì vậy, với hạn chế l khí quyển không thấu xạ với bức xạ hồng ngoại, tức l 1, ta có T g = 2 1/4 T B v T a = T B ; bề mặt có nhiệt độ cao hơn các lớp khí quyển phía trên. Lấy T B = 255K thì T g = 303K, giá trị ny cao hơn một chút so với giá trị quan trắc đợc. Với = 0,771 quan trắc đợc T g = 288K. Trong trờng hợp ny, T a = 227K cho thấy khí quyển thấu xạ sẽ có tốc độ giảm cân bằng bức xạ mạnh hơn. Một tính toán phức tạp hơn sử dụng gần đúng nhiều mực trong cấu trúc thẳng đứng của khí quyển cho ta giá trị nhiệt độ bề mặt cao hơn; mô hình nh vậy giải thích cho nhiệt độ bề mặt cực đại - 69 - của Sao Kim. Mô hình ny có thể bao gồm cả các quá trình nh phát bức xạ của các xol khí. Tác động của riêng quá trình bức xạ sẽ thiết lập nên một cấu trúc nhiệt cân bằng, với nhiệt độ giảm theo chiều cao v phụ thuộc vo cờng độ của bức xạ mặt trời đi đến. Cân bằng ny đợc gọi l cân bằng bức xạ. Bây giờ ta hãy xem xét tới thời gian cần để thiết lập nhiệt độ cân bằng bức xạ ny. Nó có thể đợc ớc lợng nh sau: giả thiết rằng do một số tác động không rõ rng m nhiệt độ của khí quyển bị dao động lân cận giá trị cân bằng bức xạ. Để đơn giản, giả thiết nhiệt dung của bề mặt đợc bỏ qua; trong trờng hợp ny, phơng trình (3.5) vẫn thoả mãn. Tuy nhiên, phơng trình (3.6) phải viết lại dới dạng sau B2U dt dT g pc a sp (3.9) trong đó p s l giá trị khí áp bề mặt; c p p s /g l nhiệt dung của cả cột khí quyển trên một đơn vị diện tích nằm ngang. Biểu diễn T a = T a0 + T, trong đó T a0 l giá trị cân bằng tính đợc từ phơng trình (3.7), v 0a TT . Khi đó phơng trình (3.9) có thể đợc tuyến tính hoá theo T a0 nh sau T cp gT24 T dt d ps 0a 3 (3.10) Phơng trình ny có nghiệm dạng đơn giản đã biết: T giảm theo qui luật hm mũ với qui mô thời gian E trong đó gT24 cp 0a 3 ps E (3.11) đợc gọi l qui mô thời gian cân bằng bức xạ. Nếu qui mô thời gian bức xạ ny lớn hơn so với qui mô thời gian đặc trng của chuyển động trong khí quyển thì chuyển động của dòng khí có thể duy trì nhiệt độ khí quyển nhỏ hơn nhiều so với giá trị cân bằng bức xạ. Mặt khác, nếu E nhỏ, các hiện tợng khí tợng sẽ chỉ có tác động rất nhỏ đối với cân bằng bức xạ. Đối với Trái Đất, giả thiết = 1 vì vậy T B = 255K; khi đó E xác định từ phơng trình (3.11) vo khoảng 30 ngy. Thời gian ny lớn hơn so với qui mô thời gian đặc trng l từ 1-5 ngy của quá trình bình lu trong hệ thống thời tiết qui mô lớn ở tầng đối lu, v do đó có thể thấy rằng hon lu khí quyển sẽ bị biến đổi do chính cấu trúc nhiệt của nó. Loại mô hình đợc trình by trong mục ny đôi khi đợc gọi l mô hình khí hậu cân bằng năng lợng. Các mô hình kiểu nh vậy sử dụng các giá trị thông lợng năng lợng tới v mất đi trung bình ton cầu để đánh giá nhiệt độ trung bình ton cầu. Các phiên bản phức tạp hơn của loại mô hình ny còn tính đến các hiệu ứng hồi tiếp phức tạp, chẳng hạn nh quá trình hồi tiếp của băng-albedo. Tuy nhiên, các mô hình phức tạp ny cũng không đa ra cách giải thích mới về hon lu ton cầu, hon lu bị điều khiển bởi rất nhiều sự biến đổi của trờng nhiệt ở nhiều phần khác nhau trong khí quyển. Hơn nữa, do tính phi tuyến khá phức tạp của hệ thống khí hậu nên các mô hình cân bằng năng lợng đơn giản không đa ra đợc những giải thích tin cậy về khí hậu trung bình ton cầu, mặc dù các mô hình ny đợc sử dụng để nghiên cứu sự biến đổi khí hậu do các dạng nhiễu động khác nhau. - 70 - 3.2 Cân bằng bức xạ địa phơng Trong mục trớc ta đã đề cập tới cân bằng bức xạ ton cầu. Tuy nhiên, hon lu qui mô lớn của khí quyển đợc điều khiển bởi sự biến đổi nhiệt độ từ nơi ny đến nơi khác. Vì vậy trong mục ny sẽ đề cập tới sự biến đổi của trờng bức xạ theo điều kiện địa lý. Sự biến đổi theo điều kiện địa lý ny cũng biến đổi theo thời gian, do đó nó ảnh hởng tới biến trình ngy v năm của hon lu khí quyển. Cả bức xạ mặt trời đến v albedo của Trái Đất đều biến đổi rất mạnh theo vĩ độ. Hình 3.3(a) biểu diễn thông lợng bức xạ mặt trời đến trung bình năm theo vĩ độ. Kí hiệu thông lợng bức xạ đi đến l I. Khi đó giá trị trung bình ton cầu của I sẽ l S/4 nh đã chỉ ra trong mục trớc. Các yếu tố hình học cho thấy I có giá trị lớn ở miền nhiệt đới v có giá trị nhỏ hơn ở các miền cực. Tại sao giá trị của nó không giảm theo trục của Trái Đất, khi đó đơng nhiên giá trị ở miền cực sẽ bằng không. Nếu xảy ra nh vậy thì sẽ tồn tại một sự cô lập ở miền cực trong mùa hè. Thực tế, giá trị địa phơng của I đạt cực đại ở miền cực xung quanh khoảng thời gian hạ chí. Giá trị trung bình năm của I giảm từ xích đạo về phía cực l do sự biến đổi của albedo. Albedo ở các miền vĩ độ cao nơi tuyết v băng bao phủ nhiều v gần nh quanh năm sẽ có giá trị lớn hơn nhiều so với vùng vĩ độ thấp. Hơn nữa, ở miền ôn đới có nhiều mây hơn so với miền cận nhiệt đới. Kết quả l, một lợng thông lợng sóng ngắn gần nh l hằng số khoảng 100Wm -2 bị phản xạ trở lại vo không gian vũ trụ một cách trực tiếp tại tất cả các vĩ độ. Do đó bức xạ bị hấp thụ bởi Trái Đất v khí quyển biến đổi trong khoảng 100Wm -2 ở miền cực tới khoảng 400Wm _2 ở miền xích đạo. Nhiệt độ cân bằng bức xạ địa phơng có thể tính đợc theo cách tơng tự khi biết nhiệt độ cân bằng bức xạ ton cầu, sử dụng định luật Stefan. Nhiệt độ bức xạ địa phơng xác định bằng công thức 4/1 LB /ST (3.12) trong đó S L l bức xạ mặt trời hấp thụ đợc ở địa phơng. Tại miền cực, giá trị trung bình năm của T B tính theo công thức ny vo khoảng 205K, trong khi đó ở xích đạo l 290K. Sử dụng phơng trình (3.7) để ớc lợng nhiệt độ bề mặt, giả thiết = 0,771, hiệu số nhiệt độ giữa miền xích đạo v miền cực vo khoảng 96K. Thực tế, hiệu số nhiệt độ ny lớn hơn nhiều so với quan trắc. Hiệu số nhiệt độ trung bình năm vo khoảng 35K, ở các miền cực dờng nh lớn hơn so với giá trị dự báo đợc từ cân bằng bức xạ địa phơng v ở miền nhiệt đới thì nhỏ hơn. Đờng cong thứ ba trên Hình 3.3(a) biểu diễn bức xạ sóng di phát đi theo vĩ độ. Đờng cong ny trơn hơn so với đờng cong biểu diễn S L , nghĩa l sự tơng phản nhiệt độ của nó nhỏ hơn so với sự tơng phản nhiệt độ trong cân bằng bức xạ. Đơng nhiên, lợng bức xạ phát đi tổng cộng lấy tích phân trên ton Trái Đất phải cân bằng với tổng lợng bức xạ tới. Tuy nhiên, ở các địa phơng thì tồn tại sự không cân bằng. Sự không cân bằng địa phơng ny biểu thị các chuyển động vận chuyển nhiệt trong khí quyển v đại dơng. - 71 - Hình 3.3 Nguồn bức xạ của Trái Đất là một hàm của vĩ độ. Đờng đứt: thông lợng năng lợng bức xạ mặt trời bất kỳ; Đờng chấm: thông lợng năng lợng bức xạ mặt trời hấp thụ đợc; Đờng liền: thông lợng năng lợng bức xạ sóng dài phát xạ. (a) trung bình năm; (b) mùa đông (tháng 12-1-2); (c) mùa hè (tháng 6-7-8) Sự chênh lệch giữa bức xạ tới v bức xạ mất đi cân bằng bởi sự phân tán của các thông lợng nhiệt. Sự phân chia các thông lợng nhiệt trong khí quyển v đại dơng - 72 - hiện cha rõ, mặc dù ta nhận thấy rằng thông lợng ny nhỏ hơn một nửa thông lợng nhiệt đợc vận chuyển bởi hon lu đại dơng. Hình 3.4 Sơ đồ minh hoạ sự biến đổi theo chiều cao của thông lợng bức xạ mặt trời hớng xuống và thông lợng bức xạ hồng ngoại hớng lên trong khí quyển không mây. Hiệu số giữa thông lợng năng lợng bức xạ đi đến và phát đi trong lớp khí quyển dới cân bằng với sự vận chuyển đi lên của các chuyển động trong khí quyển. Nhìn chung, vận chuyển thẳng đứng của nhiệt cũng do hon lu khí quyển. Vì khí quyển l không thấu xạ đối với bức xạ hồng ngoại nên bức xạ mất đi vo vũ trụ chủ yếu từ các mực thuộc phần trên tầng đối lu. Tại các mực giữa, có một sự mất cân bằng giữa thông lợng hớng lên của bức xạ hồng ngoại với thông lợng hớng xuống của bức xạ mặt trời. Sự mất cân bằng ny đợc bù đắp bằng một dòng thông lợng nhiệt động lực hớng lên nhờ các chuyển động trong khí quyển. Hình 3.4 biểu diễn khái quát dới dạng sơ đồ sự mất cân bằng của các thông lợng nhiệt thẳng đứng. 3.3 Nhiệt động lực của chuyển động chất khí Trạng thái nhiệt động lực của một phần tử khí khô đợc qui định bởi giá trị cố định của hai biến trạng thái nhiệt động lực bất kỳ. Đó l các đại lợng nh nhiệt độ, khí áp, mật độ hoặc entropy riêng. Các biến còn lại có thể tính đợc bằng cách sử dụng phơng trình trạng thái. Với mục đích nghiên cứu ở đây, thuận tiện hơn cả l biểu diễn trạng thái của một phần tử khí xác định bởi nhiệt độ T v nhiệt độ thế vị của nó . Entropy riêng s quan hệ với bằng biểu thức sau lncs p (3.13) trong đó khí áp nhận đợc từ phơng trình trạng thái của chất khí lý tởng (1.9) K R p p T (3.14) - 73 - trong đó p R l khí áp tại mực bất kỳ, thờng lấy l 1000hPa đối với khí quyển Trái Đất. Để thay đổi trạng thái nhiệt động lực của phần tử khí, một cách tổng quát thì lợng nhiệt phải đợc cung cấp hay mất đi. Ngoại trừ duy nhất l trờng hợp riêng của quá trình đoạn nhiệt. Nhiều quá trình khí tợng đợc coi l gần đúng đoạn nhiệt bởi vì qui mô thời gian gắn liền với chuyển động của dòng khí thờng ngắn hơn so với qui mô thời gian của sự vận chuyển nhiệt do bức xạ hay khuếch tán. Tuy nhiên, trong nghiên cứu hon lu ton cầu, sự khác biệt so với các điều kiện đoạn nhiệt l khá thô trong việc cung cấp năng lợng cần để duy trì hon lu chống lại ảnh hởng của ma sát. Nhiệt đợc lấy bởi một đơn vị khối lợng không khí thấu xạ quá trình nhiệt động lực từ trạng thái A đến trạng thái B l B A TdsQ (3.15) Để thuận tiện ta biểu diễn quá trình ny trên đồ thì nhiệt động lực, trong đó s biểu diễn trên trục honh v T biểu diễn trên trục tung nh trên Hình 3.5. Nhiệt cung cấp cho quá trình ny l phần diện tích nằm phía dới đờng cong biểu diễn các trạng thái liên tiếp của phần tử khí trên đồ thị nhiệt động lực. Lu ý rằng nếu giá trị entropy riêng của trạng thái B vợt quá trạng thái A thì khi đó Q mang dấu dơng, tức l nhiệt cần phải cung cấp cho phần tử khí. Ngợc lại, nếu s(B) < s(A) thì nhiệt bị mất đi. Rõ rng từ đồ thị ny nhiệt cung cấp cho quá trình biến đổi trạng thái từ A sang B l không đồng nhất. Giữa hai trạng thái ny sẽ có vô hạn các đờng biến đổi khác nhau, vì vậy diện tích tơng ứng với đờng ny cũng sẽ khác nhau. Một cách tổng quát, nếu entropy tăng ở nhiệt độ cao thì khi đó nhiệt cần đợc cung cấp thêm. Giả thiết phần tử khí biến đổi trạng thái từ A đến B sau đó quay trở lại A. Nh đã minh hoạ, lợng nhiệt đợc cung cấp trong quá trình biến đổi từ A đến B nhiều hơn l lợng nhiệt bị mất đi trong quá trình ngợc lại. Phần tử khí quay trở về trạng thái ban đầu của nó v do đó lợng nhiệt thuần đã cung cấp cho nó. Điều gì sẽ xảy ra với năng lợng nhiệt d thừa ny? Câu trả lời l phần năng lợng ny sẽ đợc chuyển hoá sang một dạng năng lợng khác, thờng l động năng của phần tử khí chuyển động. Bất kỳ một quá trình khép kín no l m cho không khí xung quanh chuyển động theo chiều kim đồng hồ trên đồ thị nhiệt động lực thì sẽ tạo ra động năng. Ngợc lại, chuyển động ngợc chiều kim đồng hồ sẽ bị hao tổn nhiệt nhiều hơn l đợc cung cấp nhiệt; sự mất cân bằng ny sinh ra do sự giảm động năng của phần tử khí. Quá trình ny l một ví dụ của quá trình lm lạnh. Các chu trình nhiệt động lực nh vậy tơng tự nh trong vật lý hay trong cơ học v có ý nghĩa trong việc nghiên cứu các cơ chế nhiệt. Rõ rng chỉ một lợng nhiệt nhỏ cung cấp cho phần tử khí có thể chuyển hoá thnh dạng cơ năng; tỷ số giữa cơ năng nhận đợc với nhiệt đợc cung cấp gọi l hiệu ứng nhiệt động lực của cơ chế nhiệt B A Tds. Tds e (3.16) - 74 - Hiệu ứng nhiệt động lực của cơ chế nhiệt thực hiện giữa trạng thái A v trạng thái B đạt cực đại khi entropy tăng ở nhiệt độ T B không đổi v sẽ giảm với nhiệt độ T A không đổi, chu trình ny đợc khép kín bằng quá trình đoạn nhiệt. Đờng biểu diễn trên đồ thị nhiệt động lực khi đó l một hình chữ nhật. Chu trình lý tởng ny đợc gọi l chu trình Carnot v đợc minh hoạ trên Hình 3.6. Cơ chế nhiệt thực tế luôn có hiệu ứng nhỏ hơn so với cơ chế Carnot lý tởng v chuyển động của khí quyển lại có hiệu ứng nhỏ hơn rất nhiều. Hình 3.5 Đồ thị nhiệt động lực với trục hoành s = c p ln(), trục tung T của một phần tử khí biến đổi trạng thái từ A đến B. Trong mục trớc, giả thiết chuyển động trong tầng đối lu sẽ vận chuyển nhiệt đi lên v hớng cực. Mô hình đơn giản nhất của chuyển động vận chuyển nhiệt ny bao gồm chuyển động thăng ở miền nhiệt đới, chuyển động hớng cực ở các mực trên cao, chuyển động giáng tại miền vĩ độ cao v chuyển động về xích đạo ở các mực thấp. Mặt cắt thẳng đứng của cấu trúc nhiệt trung bình vĩ hớng quan trắc đợc đợc biểu diễn trong mục 4.1. Nghiên cứu hon lu lý tởng ny ở đây bằng cách biểu diễn các trạng thái nhiệt động lực liên tiếp của một phần tử khí trên giản đồ nhiệt động lực. Kết quả l một nhánh nhỏ trên đồ thị nhiệt động lực cho thấy chuyển động nh vậy sẽ hình thnh động năng, do đó chúng có thể đợc duy trì chống lại ma sát bằng cách chuyển hoá liên tục nhiệt năng thnh cơ năng. Các hon lu chuyển động cùng chiều kim đồng hồ trên đồ thị nhiệt động lực bao gồm dòng thăng của không khí nóng v dòng giáng của không khí lạnh; chúng đợc gọi l hon lu nhiệt trực tiếp. Các hon lu có hớng ngợc lại bị cỡng bức về cơ năng v do đó đợc gọi l hon lu nhiệt gián tiếp. Động năng hình thnh từ mỗi chu vi của phần tử khí trên một đơn vị khối lợng l TdsK (3.17) Nếu c l thời gian cần thiết để phần tử khí thực hiện một hon lu khép kín trên mặt kinh tuyến thì khi đó tốc độ hình thnh động năng trên một đơn vị khối lợng sẽ l Tds 1 dt dK c (3.18) T B A - 75 - Hình 3.6 Chu trình Carnot thực hiện giữa trạng thái A và trạng thái B. Động năng trên một đơn vị khối lợng tỷ lệ với tốc độ gió đặc trng U bằng K = U 2 /2. Sự hình thnh động năng phải cân bằng với sự tiêu tán ma sát trong một khoảng thời gian di. Sử dụng ma sát Rayleigh trình by trong mục 2.4 nh l một cách biểu diễn các quá trình ma sát phức tạp, tốc độ suy giảm động năng do ma sát l D K2 dt dK (3.19) D l qui mô thời gian ma sát với giá trị đặc trng vo khoảng 5 ngy trong tầng đối lu. Cân bằng giữa sự hình thnh v suy giảm động năng lấy trung bình trong một khoảng thời gian di l 2/1 C D D 2 c TdsUhay U Tds 1 (3.20) Khi biết D v C ta có thể xác định đợc U. Quan trắc gió kinh hớng trung bình cho thấy C vo khoảng 140 ngy với U ~ 20ms -1 . Gió trung bình ton cầu có giá trị khoảng 14ms -1 , khá phù hợp với giá trị ớc lợng ny. Tuy nhiên, để dự báo U cần xem xét cả bản chất động lực lẫn nhiệt lực của nó. 3.4 Kết quả quan trắc đốt nóng khí quyển Trong mục ny sẽ đề cập tới sự phân bố đốt nóng v lm lạnh trong khí quyển, sự đốt nóng v lm lạnh ny điều khiển hon lu khí quyển. Chúng ta cần phân biệt sự biến đổi đoạn nhiệt của nhiệt độ sinh ra do chuyển động thẳng đứng khi không có nhiệt thêm vo hay mất đi khỏi phần tử khí v sự biến đổi nhiệt độ khi có nhiệt thêm vo hay mất đi từ phần tử khí. Quá trình sau đợc gọi l quá trình đốt nóng phi đoạn nhiệt hay đơn giản l đốt nóng. Sự biến đổi nhiệt độ đoạn nhiệt xảy ra khi không có sự trao đổi nhiệt. Mặt khác, nguồn nhiệt cung cấp vo hay mất đi bắt nguồn từ hon lu ton cầu. Sự đốt nóng sinh ra từ rất nhiều quá trình nh vậy. Hấp thụ bức xạ sóng [...]... biệt đối với miền nhiệt đới v trong tầng bình lu Hình 3. 7 Mặt cắt thẳng đứng theo vĩ độ -khí áp của lợng đốt nóng trung bình vĩ hớng theo thời gian Q theo chuỗi số liệu 6 năm của Trung tâm dự báo thời tiết hạn vừa Châu Âu Đờng đẳng trị là 0,2Kngày-1, miền tô đậm mang giá trị dơng (a) mùa đông (tháng 1 2-1 - 2); (b) mùa hè (tháng 6-7 - 8) - 77 - Hình 3. 7 biểu diễn lợng đốt nóng trung bình vĩ hớng Q p /... Himalaya - 78 - Hình 3. 8 Giá trị tích phân thẳng đứng của đốt nóng dựa trên 6 năm số liệu của Trung tâm dự báo hạn vừa Châu Âu Đờng đẳng trị là 50Wm-2 với vùng tô đậm có giá trị dơng (a) mùa đông (tháng 1 2-1 - 2); (b) mùa hè (tháng 6-7 - 8) 3. 5 Bi tập 3. 1 Sử dụng bảng số liệu dới đây để đánh giá qui mô thời gian cân bằng bức xạ của Sao Kim, Trái Đất v Sao Hoả Trong từng trờng hợp so sánh qui mô thời gian ny... nhiệt độ bề mặt Tg v khí quyển Ta , xác định sự biến đổi của nhiễu ny theo thời gian Nếu Cg lớn hơn nhiều so với cpps/g Ca, hãy chỉ ra rằng hai qui mô thời gian tơng ứng với qui mô thời gian cân bằng của bề mặt v khí quyển đặc trng cho sự biến đổi nhiệt độ - 79 - 3. 3 Giả thiết nhiệt độ cân bằng bức xạ của khí quyển l TE biến đổi dạng hình sin với chu kỳ s v biên độ TE Xác định thời gian giữa lúc giá... Sao Kim, Trái Đất v Sao Hoả Trong từng trờng hợp so sánh qui mô thời gian ny với ngy v năm mặt trời của hnh tinh đó Sao Kim Trái Đất Sao Hoả ps 9MPa 1000hPa 700Pa S Wm-2 2550 137 0 5 83 0,76 0,29 0,15 8,9 9,8 3, 7 567 1004 567 g ms-2 -1 cp JK kg -1 3. 2 Qui mô thời gian bức xạ cho từ phơng trình (3 .1 1) đợc suy diễn đối với một bề mặt, bỏ qua giá trị nhiệt dung, nhiệt độ của nó đợc thích ứng ngay với những... các thnh phần khác nhau của hệ thống khí hậu bao gồm cả Trái Đất, đại dơng, băng tuyết (băng quyển) v khí quyển l rất quan trọng trong việc điều khiển hon lu ton cầu Một số cơ chế quan trọng bao gồm: (i) Trao đổi nhiệt với các lớp dới của bề mặt, có thể l bề mặt đất hay bề mặt đại dơng Tia bức xạ mặt trời đi đến trực tiếp đạt tới bề mặt v đốt nóng nó Sự đốt nóng ny ngợc trở lại dùng để đốt nóng khí quyển. .. thụ (iii) Hơi nớc trong khí quyển đóng vai trò nh một phơng thức lu trữ nhiệt, lợng nhiệt ny có thể đợc giải phóng khi ngng kết Vì không khí có thể lan truyền nên nó có thể bị nóng lên hay lạnh đi Quá trình ngng kết ny giải phóng một lợng ẩn nhiệt rất lớn Trong khí quyển miền nhiệt đới, sự đốt nóng ny chủ yếu sinh ra bởi sự giải phóng ẩn nhiệt trong các đám mây gây ma (iv) Phần lớn sự lm lạnh trọng khí. .. nhiệt v trờng gió qui mô lớn v sự biến đổi của chúng trong một thời gian di Nh đã biết, các trờng ny có thể đợc kiểm tra một cách chính xác bằng mạng lới quan trắc nghiệp vụ Lấy trung bình theo thời gian phơng trình nhiệt động lực (1 .1 2) ta đợc v. - 76 - .v p p (3 .2 1) trong đó biểu thị sự biến đổi của trong khoảng thời gian trung bình Khi khá lớn thì số hạng ny sẽ nhỏ, đặc biệt trong... rối trong lớp biên khí quyển Mặt đất có nhiệt dung khá nhỏ do đó tia mặt trời đạt tới bề mặt Trái Đất bị phản xạ vo khí quyển khá nhanh Mặt khác, đại dơng có nhiệt dung lớn hơn nhiều vì vậy nó đóng vai trò giữ nhiệt quan trọng trong hệ thống khí hậu Giả thiết sự đóng góp vo hệ thống khí hậu của các quá trình có qui mô thời gian lớn hơn 1 tháng l do nhiệt đợc tích luỹ trong đại dơng (ii) Phần lớn năng... đạt cực đại với giá trị cực đại của nhiệt độ không khí v xác định biên độ dao động nhiệt độ của khí quyển 3. 4 Một phần tử khí di chuyển từ các mực thấp ở miền nhiệt đới lên các mực cao hơn ở miền cực v ngợc lại với qui mô thời gian l 120 ngy Giả thiết qui mô thời gian của ma sát l 5 ngy v tốc độ gió đặc trng l 15ms-1 Giả thiết dòng ở mực cao vo khoảng 30 0hPa, các quá trình thăng v giáng l đoạn nhiệt... tích phân Q theo độ cao Hình 3. 8 biểu diễn đại lợng 1 Q g ps 0 Qdp (3 .2 2) Vì ps/g l khối lợng trên một đơn vị diện tích của cột không khí tính từ mặt đất đến vô cùng, Q có thứ nguyên l Wm-2 v do đó có thể so sánh trực tiếp với lợng phát xạ v thông lợng bức xạ sóng di đợc đề cập trong phần đầu của chơng Vo mùa đông, đốt nóng mạnh nhất tập trung ở khu vực Indonesia Thời gian ny xuất hiện một cực đại . hạn vừa Châu Âu. Đờng đẳng trị là 0,2Kngày -1 , miền tô đậm mang giá trị dơng. (a) mùa đông (tháng 1 2-1 - 2); (b) mùa hè (tháng 6-7 - 8) - 78 - Hình 3. 7 biểu diễn lợng đốt nóng trung bình vĩ. UB2 (3 . 6) Rút B từ các phơng trình trên v sử dụng phơng trình (3 . 3) ta đợc B 4/1 g T 2 2 T (3 . 7) tơng tự ta có B 4/1 a T 2 T (3 . 8) Vì vậy, với hạn chế l khí quyển. đợc; Đờng liền: thông lợng năng lợng bức xạ sóng dài phát xạ. (a) trung bình năm; (b) mùa đông (tháng 1 2-1 - 2); (c) mùa hè (tháng 6-7 - 8) Sự chênh lệch giữa bức xạ tới v bức xạ mất đi cân bằng bởi