Chương III. CHẾ ðỘ NHIỆT CỦA ðẤT VÀ KHÔNG KHÍ
1. ÁP SUẤT KHÍ QUYỂN
Trong khớ tượng, người ta ủịnh nghĩa ỏp suất khớ quyển như sau: Áp suất khớ quyển là trọng lượng của cột khụng khớ thẳng ủứng cú tiết diện bằng một ủơn vị diện tớch và cú chiều cao từ mực quan trắc ủến giới hạn trờn của khớ quyển. Như vậy càng lờn cao, chiều cao cột không khí càng giảm nên áp suất khí quyển càng giảm.
Áp suất khớ quyển thường ủược ủo bằng hai ủơn vị là milimột thuỷ ngõn (mmHg) và milibar (mb).
Khớ ỏp kế thủy ngõn ủược Tụ ri xen li (1608 -1647) sỏng chế dựng ủộ cao cột thuỷ ngõn tớnh bằng milimet (mmHg) ủể ủo ỏp suất khớ quyển. Dựa vào nguyờn tắc cõn bằng giữa ỏp một ủầu dốc ngược vào một chậu cũng chứa thủy ngõn (xem phần thực tập). lực của khớ quyển và trọng lượng cột thuỷ ngõn chứa trong một ổng thủy tinh ủược hàn kớn Khi ỏp suất khớ quyển tăng thỡ ủộ cao của cột thuỷ ngõn cũng tăng.
1 mb = 0,75 mmHg
1mb = 10-3 Bar = 103 dyn/cm2 = 102 N/m2
Người ta gọi ỏp suất khớ quyển trong ủiều kiện là 0oC, ở vĩ ủộ 45o trờn mực nước biển là áp suất tiêu chuẩn. Trị số áp suất tiêu chuẩn bằng 760 mmHg hay 1013,25 mb. Giữa áp suất khớ quyển, mật ủộ khụng khớ và nhiệt ủộ quan hệ với nhau theo biểu thức sau:
(1) Trong ủú:
ρ là mật ủộ khụng khớ (số phõn tử khụng khớ chứa trong một ủơn vị thể tớch).
R là hằng số chất khớ (R = 8,3114 Jun/mol.ủộ =1/0,4845 cal/mol.ủộ).
T là nhiệt ủộ tuyệt ủối của khụng khớ (T0K = t0C +273) 1.2. Sự biến ủổi của ỏp suất khớ quyển.
Giống như cỏc yếu tố khớ tượng khỏc, ỏp suất khớ quyển cũng biến ủổi theo thời gian và khụng gian. Biến ủổi của ỏp suất khớ quyển theo khụng gian bao gồm biến ủổi theo phương thẳng ủứng và phương nằm ngang. Theo thời gian, ỏp suất khớ quyển cú diễn biến tuần hoàn
của không khí do trọng lượng của nó gây ra. Sức ép của khí quyển còn gọi là áp suất khí quyển. Quan ủiểm ủộng học phõn tử cho rằng ỏp suất khớ quyển là kết quả tổng hợp của chuyển ủộng phõn tử khụng khớ và trường trọng lực trỏi ủất. Dưới tỏc dụng tổng hợp ủú, sức va chạm của nhiều phõn tử khụng khớ cú tốc ủộ trung bỡnh tỏc dụng lờn một bề mặt cú diện tớch bằng một ủơn vị trong thời gian ngắn sinh ra ỏp suất. Trong khớ quyển khụng khớ cú thể chuyển ủộng ủi lờn, ủi xuống, chuyển ủộng loạn lưu, chuyển ủộng xoỏy, giật... hoặc kết hợp nhiều dạng chuyển ủộng, chẳng hạn như với một xoỏy thuận nú ủồng thời tham gia cả 3 dạng chuyển ủộng như vừa chuyển ủộng xoỏy trũn từ ngoài vào trong, vừa chuyển ủộng từ dưới thấp ủi lờn cao và vừa chuyển ủộng tịnh tiến. Chỉ những dạng chuyển ủộng theo phương nằm ngang mới ủược gọi là giú. Giú là nguồn nămg lượng sạch vụ tận nhưng giú cũng gõy ra nhiều ảnh hưởng xấu ủối với sản xuất nụng nghiệp.
P = ρ.RT
a) Biến ủổi của ỏp suất khớ quyển theo chiều cao
Áp suất khí quyển càng lên cao càng giảm, mặt khác do các lớp khí quyển thấp hơn có mật ủộ khụng khớ lớn hơn so với cỏc lớp khớ quyển trờn cao nờn ỏp suất khớ quyển giảm khụng ủều theo ủộ cao. Ở cỏc lớp khớ quyển dưới thấp ỏp suất khớ quyển giảm nhanh hơn so với cỏc lớp khớ khớ quyển trờn cao. Vớ dụ, ở mặt ủất ỏp suất khớ quyển là 1013,2 mb, ở ủộ cao 1000 một ỏp suất là 898,5 mb, ủộ cao 5000 một ỏp suất là 539,5 mb và ủộ cao 11000 một ỏp suất chỉ còn 225,6 mb.
Giới hạn trên
của KQ P + dP P
Po (mặt ủất)
Z + dZ Z
Xột 1 cột khụng khớ thẳng ủứng ở ủộ cao Z ỏp suất khớ quyển là P, khi ủú ở ủộ cao Z + dZ, ỏp suất sẽ là P - dP, rõ ràng dP chính là trọng lượng cột khụng khớ cú ủộ cao dZ, giới hạn từ ủộ cao Z ủến Z+dZ.
(hình 5.3.). Do vậy:
dP = - ρ.g.dZ (2)
Trong ủú: ρ là mật ủộ khụng khớ.
g là gia tốc trọng trường (g = 9,82m/s2)
Phương trỡnh (2) ủược gọi là phương trình tĩnh học cơ bản.
Phương trình này chỉ áp dụng khi
nghiờn cứu khớ quyển tĩnh. Hỡnh 5.3. Sơ ủồ biến ủổi của ỏp suất khớ quyển
dP = - ── gdZ hay — = - —— dZ RT P RT ðối với P lấy tớch phõn từ Po ủến P, với Z lấy từ Zo ủến Z, ta cú : P Z
dP g
―― = - ―― dZ
Po P RT Zo
Cho T giỏ trị trung bỡnh và g giỏ trị khụng ủổi thỡ:
P g
ln ― = - ― ( Z - Zo) (3)
P0 RT
g (z-zo)
P = Poe RT (4) Nếu Po là ỏp suất ở mặt ủất thỡ Zo = 0 do ủú ta cú :
g z
P = Poe RT (5) Từ công thức (4) chúng ta có 2 nhận xét như sau:
− Càng lên cao khí áp càng giảm
− Ở ủiều kiện nhiệt ủộ thấp thỡ khớ ỏp giảm nhanh hơn so với ở ủiều kiện nhiệt ủộ cao khi ủộ cao tăng lờn.
Khi triển khai cụng thức (3) người ta cũng thu ủược một cụng thức ủơn giản hơn gọi là cụng thức Babinờ về sự biến thiờn ỏp suất khớ quyển theo ủộ cao.
P - P h
Z = 16000 (1 + αt) ——— (6) P+ Ph
Trong ủú:
Z - chờnh lệch ủộ cao giữa 2 trạm ủo ỏp suất khớ quyển.
P, Ph là áp suất khí quyển ở trạm dưới và áp suất ở trạm trên t - nhiệt ủộ trung bỡnh của cột khụng khớ giữa 2 trạm.
α - hệ số giãn nở của không khí, α = 0,00366.
Cụng thức Babinờ cho phộp giải quyết một số vấn ủề thực tiễn như:
1. Tỡm chờnh lệch ủộ cao giữa 2 ủịa ủiểm cú ỏp suất là P1 và P2. Việc ủo ủộ cao bằng phương phỏp này khỏ chớnh xỏc và thuận tiện thay thế cho phương phỏp ủo bằng mỏy trắc ủịa. ðặc biệt, khi ủường ngắm của mỏy trắc ủịa bị che khuất hoặc phải ủo ủộ cao ở hai ủịa ủiểm cỏch nhau quỏ xa.
2. Tớnh toỏn ủược khớ ỏp ở bất kỳ một ủộ cao nào ủú nếu biết khớ ỏp ở mặt ủất, nội suy khớ ỏp về cựng một mực ủộ cao ở cỏc ủịa ủiểm quan trắc ủể vẽ bản ủồ khớ ỏp phục vụ cụng việc dự báo thời tiết.
công thức sau:
(1 + αt)
h = 8000 —— (7) P
Trong ủú: P là ỏp suất khớ quyển t là nhiệt ủộ của khụng khớ
α là hệ số giãn nở thể tích của không khí (α = 0,00366 = 1/273)
Từ công thức (7) ta thấy bậc khí áp tỷ lệ nghịch với ỏp suất và tỷ lệ thuận với nhiệt ủộ.
Càng lên cao bậc khí áp càng lớn và ở cùng giá trị khí áp thì vùng nóng có bậc khí áp lớn hơn vùng lạnh. Như vậy, những vùng không khí lạnh khí áp giảm nhanh hơn, những vùng không khí nóng khí áp giảm chậm hơn theo chiều cao. Hệ quả là khi có 2 cột không khí nóng, lạnh khác nhau ở cạnh nhau thì trên cựng một ủộ cao cột khụng khớ núng cú ỏp suất cao hơn cột không khí lạnh.
Nóng Lạnh 650mb
780mb
800mb 650mb
780mb
900mb 800mb
900mb
1000mb 1000mb
Cột 1 Cột 2 Hỡnh 5.4. Sơ ủồ chờnh lệch bậc khớ ỏp Do chênh lệch khí áp, ở trên cao, không khí nóng sẽ di chuyển về phía cột không khí lạnh.
Tuy nhiờn, ở mặt ủất khớ ỏp cột khụng khớ lạnh lại cao hơn cột khụng khớ núng. Do ủú khụng khớ chuyển ủộng ở dưới thấp và trờn cao cú chiều ngược nhau, tạo thành những hoàn lưu khép kín.
b) Biến ủổi của ỏp suất khớ quyển theo phương nằm ngang.
Cỏc vựng khỏc nhau trờn bề mặt trỏi ủất luụn cú sự khỏc nhau về nhiệt ủộ do vậy ỏp suất khớ quyển theo phương nằm ngang cũng khụng ủồng nhất. ðể biểu diễn sự khỏc nhau về khớ ỏp theo phương nằm ngang người ta dựng một ủại lượng gọi là gradient khớ ỏp ngang (G).
P1 - P2 dP
G = --- = --- (8) L1 - L2 dL
Trong ủú:
dP: là chờnh lệch khớ ỏp giữa 2 ủịa ủiểm
dL: khoảng cỏch theo phương nằm ngang giữa 2 ủịa ủiểm.
Gradient khớ ỏp theo phương nằm ngang thường ủược xỏc ủịnh cho mỗi ủộ vĩ ủịa lý (1 ủộ vĩ khoảng 111km), ủơn vị G là mb/111km. ðể biểu diễn biến thiờn khớ ỏp theo phương nằm ngang người ta thường vẽ bản ủồ cỏc ủường ủẳng ỏp (hỡnh 5.5). ðường ủẳng ỏp là những ủường liền nột, khộp kớn nối liền cỏc ủiểm cú trị số khớ ỏp như nhau. Do mật ủộ cỏc trạm ủo khớ ỏp quỏ ớt nờn phải dựng phương phỏp nội suy ủể xỏc ủịnh khớ ỏp trờn mặt ủất.
Trờn bản ủồ khớ ỏp, cỏc ủường ủẳng ỏp thường ủược vẽ cỏch nhau 5mb. Tuỳ theo sự phõn bố khớ ỏp mà trờn bản ủồ cỏc ủường ủẳng ỏp cú những hỡnh dạng khỏc nhau:
•••
• Vựng khớ ỏp cao là vựng cú cỏc ủường ủẳng ỏp khộp kớn, từ ngoại vi vào trung tõm áp suất khí quyển tăng dần. Trong vùng khí áp cao, gradient khí áp có hướng từ ngoại vi vào trung tâm.
•
••
• Rãnh khí áp là phần khí áp thấp nhô ra, trục nằm giữa hai vùng có khí áp cao hơn.
•
••
• Lưỡi khí áp là vùng khí áp cao nhô ra, trục nằm giữa hai vùng có khí áp thấp hơn.
•••
• Yên khí áp là vùng nằm giữa hai vùng khí áp cao và khí áp thấp sắp xếp xen kẽ nhau.
ðặc ủiểm của gradient khớ ỏp nằm ngang là luụn luụn vuụng gúc với cỏc ủường ủẳng ỏp và hướng từ nơi có khí áp cao về nơi có khí áp thấp. Không khí thường di chuyển theo chiều Gradient khí áp nằm ngang tạo thành gió. Khi gradient khí áp nằm ngang càng lớn thì gió thổi càng mạnh. Trờn bản ủồ ủẳng ỏp, những vựng mà ủường ủẳng ỏp càng dày thỡ trị số gradient khí áp càng lớn.
c) Diễn biến hàng ngày của áp suất khí quyển
Diễn biến hàng ngày của khớ ỏp cú 2 cực ủại và 2 cực tiểu. Cực ủại của khớ ỏp xảy ra vào lúc 10 giờ và 22 giờ, cực tiểu xảy ra lúc 4 giờ và 16 giờ. Hàng ngày, khí áp tăng từ 4 giờ sáng ủến 10 giờ thỡ ủạt cực ủại, sau ủú giảm dần ủến 16 giờ ủạt cực tiểu. Từ 16 giờ khớ ỏp lại tăng dần ủến 22 giờ thỡ ủạt cực ủại thứ hai và tiếp tục giảm dần ủến 4 giờ sỏng hụm sau lại ủạt cực tiểu thứ hai. Diễn biến hàng ngày của khớ ỏp ủặc biệt thể hiện rừ ở vựng xớch ủạo và nhiệt ủới, biờn ủộ ngày của khớ ỏp vào khoảng 3 - 4 mb. Càng lờn vĩ ủộ cao biờn ủộ dao ủộng của khớ ỏp càng giảm dần, ở vĩ ủộ 60o biờn ủộ khớ ỏp chỉ vào khoảng 0,3 mb.
Khi thời tiết thay ủổi ủột ngột khớ ỏp cú sự biến thiờn mạnh mẽ, biờn ủộ ngày ủờm cú thể ủạt tới 10 - 15 mb. Vớ dụ, khi cú một cơn bóo tiến ủến thỡ khớ ỏp giảm ủột ngột và tăng nhanh trở lại khi cơn bóo ủi qua.
Hỡnh 5.5. Bản ủồ cỏc ủường ủẳng ỏp trờn mực nước biển
quyển quan sỏt thấy vào mựa ủụng cũn cực tiểu vào mựa hố, ngược lại ở trờn biển và ủại dương cực ủại ỏp suất quan sỏt thấy vào mựa hố, cũn cực tiểu vào mựa ủụng. Sở dĩ như vậy là vỡ mựa hố khụng khớ trờn lục ủịa núng hơn so với khụng khớ trờn ủại dương, cũn mựa ủụng thỡ ngược lại nờn trờn biển khớ ỏp cao hơn so với trờn lục ủịa, vào mựa ủụng thỡ khớ ỏp trờn lục ủịa lại lớn hơn so với trờn biển. Biờn ủộ dao ủộng hàng năm của khớ ỏp trờn lục ủịa thường lớn hơn nhiều so với trờn ủại dương, ủụi khi ủạt ủến 40 mb. Vớ dụ: Ở Luctrum (Trung Á), vĩ ủộ 42041’ N; kinh ủộ 89042’; ủộ cao õm 17 một cú khớ ỏp lớn nhất vào thỏng 12 là 1041,3mb, khớ ỏp nhỏ nhất vào thỏng 7 là 1004,0mb, biờn ủộ 37,3mb.
Tuy nhiờn, khớ ỏp trung bỡnh trờn ủại dương luụn lớn hơn so với lục ủịa. Biờn ủộ dao ủộng hàng năm của khớ ỏp tăng dần khi lờn vĩ ủộ cao, ở vựng nhiệt ủới dao ủộng hàng năm của khí áp không thể hiện rõ.