ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN 000 CÁC QUÁ TRÌNH VI VẬT LÝ TRONG MÂY Người hướng dẫn: PGS.TS NGUYỄN HƯỚNG ĐIỀN Người thực hiện: Hà Nội 7/2006 Giới thiệu: Hiện nay, khi mà việc giải các bài toán số trị được thực hiện trên các hệ máy tính hiện đại thì việc phản ánh được các quá trình quy mô nhỏ đóng vai trò rất quan trọng. Trong khi đó, độ phân giải của mô hình toàn cầu và khu vực rất lớn. Chẳng hạn: Đối với mô hình toàn cầu: Mô hình GFS/AVN JMA UKMET GME Phân giải ngang (km) 55 60 60 60 Phân giải thẳng đứng (km) 64 40 38 31 Đối với mô hình khu vực: Mô hình HRM MM5 ETA Phân giải ngang (km) 28/14 72/24/8 37 Phân giải thẳng đứng (km) 20/31 16 38 Vì vậy, các mô hình này chỉ phản ánh được các quá trình quy mô lớn hơn nút lưới, trong khi các quá trình nhỏ hơn quy mô lưới phản ánh tính chất khí tượng địa phương của từng vùng. Mưa (mây) là nhân tố rất quan trọng của dự báo khí tượng. Viêc phản ánh và mô phỏng tốt các quá trình vi vật lý trong mây là cơ sở cho việc dự báo tốt mưa về cả lượng và diện. Cho tới nay, có rất nhiều công trình nghiên cứu về mây và các quá trình vi vật lý trong mây. Trên cơ sở đó, tùy vào mục đích sử dụng, chúng được phát triển theo các khuynh hướng khắc nhau. Ví dụ, nghiên cứu và cảnh báo sét, nghiên cứu phổ kích thước hạt mây, nghiên cứu các đặc trưng mây và nghiên cứu để làm mưa nhân tạo. Loại trừ nghiên cứu và cảnh báo sét, các nghiên cứu khác đều chia mây thành mây ấm, mây lạnh và mây hỗn hợp. Với mục đích nghiên cứu và học hỏi, trong tiểu luận môn học Khí tượng Vật lý, tôi chọn đề tài: “Các quá tình vi vật lý trong mây”. Nội dung gồm 2 phần:  Các quá trình vi vật lý trong mây siêu lạnh  Các quá trình vi vật lý trong mây ấm 2 Phần 1: Các quá trình vi vật lý trong mây siêu lạnh I. Định nghĩa mây siêu lạnh Mây siêu lạnh là mây hoặc phần mây có nhiệt độ nhỏ hơn 0 0 C. Xem xét các quá trình vật lý xảy ra trong mây siêu lạnh là xem xét quá trình vi vật lý xảy ra trong vùng mây có nhiệt độ nhỏ hơn 0 0 C. Hình 1 Các pha của mây theo nhiệt độ Thông thường, nước đóng băng ở nhiệt độ 0 0 C. Tuy nhiên, trong các đám mây tự nhiên, nước có thể tồn tại dưới dạng nước siêu lạnh mà không bị đóng băng mặc dù nhiệt độ có thể giảm xuống dưới 0 0 C rất nhiều. Theo thám sát cho thấy, ở -10 0 C, tỷ lệ giữa số phần tử băng trên số phần tử nước siêu lạnh là 1/1000000. ở -20 0 C, tỷ lệ giữa số phần tử băng và số phần tử nước siêu lạnh là dưới 50%. Khi nhiệt độ xuống đến -40 0 C thì trong mây chứa toàn bộ là tinh thể băng II. Các quá trình vi vật lý trong mây siêu lạnh 2.1. Quá trình tinh thể hóa Hạt nhân tạo băng là các phần tử lơ lửng trong không khí mà các phần tử nước ở dạng nước siêu lạnh hoặc hơi nước chuyển đổi thành tinh thể băng trên bề mặt của chúng. Không phải tất cả mà chỉ một phần nhỏ các hạt nhân ngưng kết là hạt nhân tạo băng, phụ thuộc vào bản chất hoá học của các phần tử lơ lửng, nhiệt độ và độ ẩm của vùng mây. Hạt nhân ngưng kết có cơ hội tốt hơn để trở thành hạt nhân tạo băng khi nhiệt độ giảm và độ ẩm tăng. Thực tế, các hạt nhân tạo băng không hoạt động khi nhiệt độ ấm hơn -4 0 C ngay cả trong vùng mây bão hoà. Theo nghiên cứu, các nhân tạo băng hoạt động ở những nhiệt độ khác nhau đối với các chất khác nhau. Sau đây là một số nhân tạo băng với nhiệt độ hoạt động của chúng: 3 • Iốt bạc (AgI) : -4 0 C • Đồng sunfua (CuS2): -7 0 C • Natri clorua (NaCl): -8 0 C • Bụi núi lửa: -13 0 C • Đất sét: -15 0 C Để các tinh thể băng được hình thành trong mây, các phân tử nước dưới dạng hơi nước và giọt nước mây cần phải có nhân băng để bắt đầu quá trình tinh thể hoá. Quá trình ban đầu hoá tinh thể băng có thể xảy ra bởi 2 quá trình tạo nhân băng đồng nhất và nhân băng không đồng nhất. - Quá trình tạo nhân băng đồng nhất là quá trình các hạt nước siêu lạnh bắt đầu đóng băng thành các phần tử tinh thể băng khi chúng ở trong vùng mây có nhiệt độ rất lạnh và không có mặt của nhân tạo băng. Nhân đồng nhất xuất hiện khi các phân tử nước ở dạng các giọt nước đủ lạnh để có thể bắt đầu hình thành cấu trúc băng, và được gọi là phôi băng (ice embryos). Nhiệt độ để có thể xuất hiện nhân băng đồng nhất là gần -40 0 C. Các giọt nước càng nhỏ thì nhiệt độ để xảy ra quá trình đóng băng tạo thành các tinh thể băng càng thấp. Các nghiên cứu trong phòng thí nghiệm chỉ ra rằng, đối với các giọt có kích thước khoảng 5 m µ thì nhiệt độ cần cho nó đóng băng là khoảng -40 0 C, trong khi những hạt lớn hơn khoảng 25 m µ thì cần nhiệt độ vào khoảng -36 0 C. - Quá trình tạo nhân băng không đồng nhất là quá trình chiếm ưu thế trong quá trình ban đầu hoá tinh thể băng trong khí quyển. Quá trình này xảy ra khi trong mây có mặt của nhân tạo băng, trong điều kiện bão hoà hơi nước và môi trường gần với quá trình đóng băng. Có 3 kiểu tạo nhân không đồng nhất. •Quá trình ngưng hoa: quá trình hơi nước ngưng kết trực tiếp thành băng trên bề mặt của nhân tạo băng, bỏ qua trạng thái lỏng. •Quá trình đóng băng: là quá trình các hạt nước siêu lạnh có bên trong các hạt nhân tạo băng (IN) bắt đầu đóng băng. •Quá trình tiếp xúc (contact): là quá trình hạt nhân tạo băng bắt đầu hình thành tinh thể băng khi tiếp xúc với các giọt nước siêu lạnh. 4 2.2. Sự lớn lên của các tinh thể băng: khi tinh thể băng hình thành chúng có thể lớn lên theo các cơ chế sau: 2.2.1. Sự lớn lên của tinh thể băng bởi quá trình ngưng hoa khuếch tán Quá trình này xảy ra do sự khác biệt về áp suất bão hoà hơi nước trên mặt băng và nước lỏng. ở một nhiệt độ nhất định, áp suất hơi nước trên bề mặt nước lớn hơn trên mặt băng. Trong vùng độ ẩm tương đối đạt 100% đối với nước, tồn tại cả hạt nước và tinh thể băng, thì do có sự khác biệt về áp suất hơi nước giữa các giọt nước và tinh thể băng, dẫn đến hơi nước khuếch tán từ nơi áp suất cao xung quanh giọt nước đến nơi áp suất thấp xung quanh tinh thể băng. Vì vậy, các tinh thể băng sẽ lớn lên. Quá trình này làm cho độ ẩm của không khí xung quanh hạt nước siêu lạnh nhỏ hơn 100%, và các giọt nước phải bốc hơi để giữ trạng thái bão hoà hơi nước, làm tăng thêm hơi nước cho quá trình ngưng hoa. Ví dụ, một khối băng có dạng hình cầu với đường kính 10 m µ ở nhiệt độ -15 0 C sẽ lớn thành đường kính 250 m µ trong thời gian nhỏ hơn 10 phút. Bằng cách đó, các tinh thể băng lớn lên nhanh chóng bởi cả hai quá trình ngưng hoa hơi nước trên mặt băng và quá trình bốc hơi trên mặt nước siêu lạnh. Cuối cùng, vùng nước siêu lạnh giảm, và mây trở thành tinh thể hoá. Hình 2 Sự phụ thuộc hơi nước vào nhiệt độ Tốc độ lớn lên của tinh thể băng phụ thuộc chủ yếu vào nhiệt độ và độ ẩm. Nhiệt độ trong mây càng thấp thì quá trình chuyển đổi thành băng và quá trình lớn lên của băng xảy ra với tốc độ nhanh hơn. Tốc độ khuếch tán hơi nước là lớn nhất khi gradien áp suất hơi nước bão hoà giữa băng và nước siêu lạnh là lớn nhất. Tốc độ khuếch tán lớn nhất xảy ra ở gần nhiệt độ -15 0 C. Sự lớn lên của tinh thể băng bởi quá trình ngưng hoa đóng vai trò quan trọng trong gian đoạn đầu hình thành tinh thể băng khi các hạt tinh thể băng có kích thước nhỏ, còn khi các tinh thể băng đã đủ lớn để bắt đầu rơi thì cơ 5 chế lớn lên của tinh thể băng bởi quá trình ngưng hoa không còn chiếm ưu thế nữa. 2.2.2. Sự lớn lên của tinh thể băng bởi quá trình gộp (accretion) Quá trình accretion (riming) là quá trình các hạt băng có thể lớn lên khi hạt nước nhỏ rơi vào hạt băng lớn. Khi các hạt băng đủ lớn, chúng bắt đầu rơi xuống. Trong quá trình rơi, các hạt băng có thể thu nạp các hạt nước siêu lạnh khi các hạt nước siêu lạnh tiếp xúc với bề mặt hạt băng. Các hạt nước siêu lạnh bị đóng băng ngay lập tức và bám vào tinh thể băng, làm các hạt tinh thể băng lớn lên. Quá trình này được giới hạn trong lớp bão hoà hơi nước với nhiệt độ từ 0 đến -10 0 C. Tuỳ thuộc vào tốc gió, tốc độ dòng thăng trong đám mây và tốc độ rơi của hạt băng mà sản phẩm tạo ra là tuyết, graupel, hay hạt mưa đá. Khi tinh thể băng lớn lên bởi quá trình accretion, sự đóng băng nhanh của hạt nước siêu lạnh có thể dẫn đến các hạt băng bị vỡ ra thành các hạt tinh thể băng nhỏ, gọi là quá trình vỡ vụn (splintering), tạo thành nguồn nhân tạo băng thứ cấp. Điều này làm quá trình accretion xảy ra nhanh hơn và dẫn đến quá trình tinh thể hoá đám mây. Trong khi quá trình ngưng hoa chiếm ưu thế trong quá trình hình thành và lớn lên của tinh thể băng ở phần trên và giữa đám mây thì quá trình accretion chiếm ưu thế ở phần dưới của đám mây. Nghĩa là cơ chế lớn lên của tinh thể băng chủ yếu là do quá trình accretion. 2.2.3. Sự lớn lên của tinh thể băng bởi quá trình thu nạp (aggregation) Quá trình thu nạp (aggregation) là quá trình các hạt tinh thể băng nhỏ gộp lại với nhau tạo thành các hạt tinh thể băng có kích thước lớn hơn. Khi các tinh thể băng trong quá trình rơi có thể va chạm vào nhau, chúng có thể Hình 3 Quá trình Riming Hình 4 Bông tuyết hình thành do quá trình Riming 6 dính vào nhau tạo thành các hạt băng lớn hơn, chủ yếu là các hạt bông tuyết. Các phân tử nước ở bên ngoài bề mặt các tinh thể băng làm tăng sự liên kết giữa các hạt tinh thể băng với nhau. Khi các tinh thể băng rơi vào vùng mây ấm hơn, sẽ có nhiều phân tử nước bên ngoài các hạt băng hơn, dẫn đến quá trình dính kết xảy ra mạnh mẽ hơn và có thể tạo thành các hạt bông tuyết lớn hơn. Sự dính kết xảy ra lớn nhất ở vùng gần mực 0 0 C. Hình dưới đây chỉ ra rằng các hạt bông tuyết lớn nhất xảy ra ở nhiệt độ gần 0 0 C. Hình 5 Sự phụ thuộc của đường kính lớn nhất của các hạt bông tuyết vào nhiệt độ Các tinh thể băng ở dạng hình cây cũng có thể đan vào nhau tạo thành tinh thể băng lớn hơn (larger aggregates) như hình bên. Hình 6 Đan xen của các tinh thể băng 2.2.4. Sự lớn lên của các tinh thể băng bởi quá trình đóng băng (freezing) Quá trình đóng băng là quá trình các hạt băng có thể lớn lên khi chúng rơi vào bề mặt của các hạt nước siêu lạnh có kích thước lớn hơn. Khi các hạt băng rơi vào vùng mây nước siêu lạnh, chúng bị bao bọc bởi các giọt nước 7 siêu lạnh hoặc va chạm vào các giọt nước siêu lạnh có kích thước lớn, gây nên quá trình đóng băng của giọt nước siêu lạnh xung quanh hạt băng. Hình 7 Quá trình đóng băng 2.3. Sự hình thành mưa do quá trình tan băng Rất nhiều trường hợp giáng thuỷ bắt đầu đạt tới đất thông qua quá trình tan băng khi các hạt bông tuyết, graupel, hoặc các hạt mưa đá rơi vào vùng mây có nhiệt độ lớn hơn 0 0 C. Điều đáng lưu ý rằng, các bông tuyết ẩm ở gần mực 0 0 C kết hợp với nhau tạo thành các khối lớn. Các giọt mưa tạo thành từ sự tan băng có kích thước lớn hơn so với các hạt tạo thành do quá trình liên kết (Gillespie-List và các cộng sự -1976). Các kết quả nghiên quan trắc bằng Radar ở vùng Illinois chỉ ra rằng, các giọt mưa tạo thành do các bông tuyết tan rơi trong khoảng 1 Km trước khi chúng bị vỡ ra do va chạm và tạo thành các giọt nước mới do liên kết các các mảnh vỡ được phân bố theo quy luật hàm mũ. Các giọt nước được tạo thành do quá trình tan băng cũng sẽ được lớn lên do quá trình va chạm và liên kết với các giọt nước tồn tại trong mây. 2.4.Sự lớn lên của các hạt mưa đá Các hạt mưa đá có thể được tạo thành do quá trình gộp (accretion) trong khu vực có dòng thăng vượt quá 10 sm / và có lượng nước mây siêu lạnh lớn. Quá trình gộp liên tục trên hạt bông tuyết (snowflakes) tạo thành các hạt tuyết lớn hình cầu (spherical snow pellets), các hạt graupel, và cuối cùng là tạo thành hạt mưa đá khi có sự tập trung lượng nước lớn. Mức độ tập trung của các hạt thuỷ khí có thể nhỏ hơn 0.2 3 / mmg đối với sự tạo thành các hạt 8 tuyết hình cầu, nhưng có thể lên tới 0.9 3 / mmg đối với hạt mưa đá. Theo quy ước, các hạt băng có đường kính vượt quá 5 mm được gọi là hạt mưa đá. 2.5. Sự phụ thuộc của tinh thể băng vào nhiệt độ: Các dạng tinh thể được tạo thành trong quá trình lớn lên của tinh thể băng được xác định bởi nhiệt độ và sự khác biệt giữa áp suất bão hoà hơi nước giữa băng và nước siêu lạnh. Chúng thay đổi theo nhiệt độ trong điều kiện bão hoà hơi nước đối với nước lỏng. Tuỳ thuộc vào nhiệt độ, các tinh thể băng được tạo thành có các dạng như sau: 9 Nhiệt độ (0C) Các dạng tinh thể băng 0 đến -4 Dạng phiến mỏng (thin plate) -3 đến -6 Tinh thể hình kim (needles) -6 đến -10 Dạng cột rỗng (hollow columns) -10 đến -12 Dạng phiến đặc (solid plates) sector plates broad-branch plates -12 đến -16 Dạng cây (dendrites) (cũng như các dạng phiến) -16 đến -22 Dạng phiến đặc (solid plates) sector plates broad-branch plates 10 [...]... ra theo một chuỗi các sự kiện Hình 9 Sơ đồ minh hoạ chuỗi quá trình mưa Chuỗi quá trình mưa minh hoạ sự nối tiếp các sự kiện, quá trình này dẫn tới sự hình thành mưa trên mặt đất Những quá trình bên trong mỗi mắt xích hoặc những sự kiện thường xuất hiện trên những quy mô thời gian và không gian khác nhau 2.2 Các quá trình vi vật lý trong mây 12 Hình 10 Các quá trình vi vật lý trong mây Sự hình thành... Sự hình thành và phát triển mưa xuất phát từ một số quá trình vật lý, bao gồm các quá trình vi vật lý khác nhau và các quá trình này xảy ra đồng thời nhưng với những tốc độ khác nhau, với một hướng chiếm ưu thế trong điều kiện áp suất nhất định Động lực học quy mô lớn và quy mô vừa xác định các đặc trưng của những hệ thống mây, các quá trình vi vật lý quy mô nhỏ xác định sự cấu tạo hạt nhân và những... Phần 2 : Quá trình mưa và các quá trình vi vật lý trong mây ấm I Định nghĩa Mây ấm là mây có nhiệt độ cao hơn 0oC Trong mây ấm, sự hình thành của mưa phụ thuộc vào những giọt mây nhỏ xíu riêng lẻ (mà bản thân chúng thì quá nhỏ không thể rơi qua đám mây) , chúng lớn lên do quá trình va trạm và liên kết, như vậy chúng dần dần trở lên đủ nặng để có thể thắng được dòng thăng và rơi từ chân của đám mây Trong. .. hơi trong đám mây sẽ được bù lại bởi sự phát triển của các hạt lớn Hình 8 Khu vực hình thành mây ấm Đôi khi, đặc biệt trong những đám mây Sc ở trên biển, sự bất ổn định gây ra sự tăng cường những chuyển động thẳng đứng (và bởi vậy tăng cường 11 khả năng tăng trưởng do sự va chạm và liên kết) và khi đó thì mưa được hình thành dễ dàng hơn II Các quá trình vi vật lý trong mây ấm 2.1 Quá trình mưa + Quá trình. .. chỉ ra rằng các giọt khi đạt tới kích thước 5 mm hoặc lớn hơn sẽ trở thành không ổn định trong thuỷ động lực và vỡ thành các giọt nhỏ hơn Ông ta giả thuyết rằng các mảnh vỡ của các giọt mưa sẽ trở thành các nhân giáng thuỷ và thúc đẩy quá trình chuyển các giọt mây lỏng vào trong giọt mưa Quá trình này rất quan trọng trong mây với tốc độ dòng thăng vượt quá 6-8 m / s Nó sẽ thúc đẩy mạnh quá trình tăng... ra giá trị hơi nước vượt quá để tạo thành mây Tuy nhiên, để xác định tính chất của mây được tạo thành đòi hỏi phải xem xét các quá trình trình vi vật lý điều khiển sự hình thành và sự lớn lên của các hạt nước riêng lẻ Các quá trình này liên quan tới các nhân tố như sự phân bố hơi nước, sự dẫn nhiệt, sự giải phóng ẩn nhiệt, sự ảnh hưởng của tenxo bề mặt và sự hoà tan trong các hạt nước riêng lẻ 2.2.2... tục phát triển và mang những giọt mây nhỏ hơn vào trong đám mây trong khi những giọt lớn hơn thì lơ lửng trong đám mây hoặc rơi xuống chậm chạp Như vậy có thể ước lượng với hàng tỉ hàng tỉ các giọt mây treo lơ lửng trong đám mây, chắc chắn sẽ có vài giọt va chạm với nhau, khi đó quá trình va chạm bắt đầu Hình 8 Sự hội tụ của không khí dưới đám mây Trong khi những giọt mây phải trải qua hàng triệu sự... Quá trình này thông thường không kèm theo các tinh thể băng Trước hết, chúng ta cần xem xét một vài nhân tố quan trọng đối với sự tăng trưởng của các giọt nhỏ thông qua quá trình này: - Phải có một lượng nước lỏng cao bên trong đám mây - Phải có dòng thăng đủ mạnh và phù hợp bên trong đám mây 21 - Một sự thay đổi lớn về kích thước của các giọt mây là rất có ích - Đám mây phải đủ dày để những giọt mây. .. tham số phân bố kích thước Trong hầu hết các quan trắc mẫu, gía trị n0 =80 m −3 mm −1 và Λ dao động xung quanh 2.5 mm −1 , và có xu hướng giảm nhẹ trong mưa lớn Tuy nhiên giá trị Λ là không đúng trong nhiều trường hợp Quá trình va chạm và liên kết xảy ra một cách tương đối trong những đám mây ấm với nhiệt độ đỉnh mây lớn hơn -15 0C Như tên gọi của quá trình này, sự va chạm của các giọt nước nhỏ rơi xuống... thước của CCN hiện tại 2.4 Quá trình va chạm và liên kết trong mây ấm Nói chung là tất cả giáng thuỷ rơi trên mặt đất đều đựơc cấu thành do sự kết hợp lớn dần quanh một nhân của các giọt mây Các giọt mây này bị nhập lại thành nhóm và bị thu hút bởi bởi các giọt thuỷ khí lớn hơn đang rơi qua đám mây Sự bồi dần quanh một giọt nhân (accretion) ám chỉ tới quá trình thu hút của các giọt thuỷ khí thành một . nhau. 2.2 Các quá trình vi vật lý trong mây. 12 Hình 10. Các quá trình vi vật lý trong mây Sự hình thành và phát triển mưa xuất phát từ một số quá trình vật lý, bao gồm các quá trình vi vật lý khác. hỏi, trong tiểu luận môn học Khí tượng Vật lý, tôi chọn đề tài: Các quá tình vi vật lý trong mây . Nội dung gồm 2 phần:  Các quá trình vi vật lý trong mây siêu lạnh  Các quá trình vi vật lý trong. trong mây ấm 2 Phần 1: Các quá trình vi vật lý trong mây siêu lạnh I. Định nghĩa mây siêu lạnh Mây siêu lạnh là mây hoặc phần mây có nhiệt độ nhỏ hơn 0 0 C. Xem xét các quá trình vật lý xảy ra trong