Bài giảng Thời tiết khí hậu: Chương 8- Hoàn lưu khí quyển và phân bố áp suất

Phần 3 - Phân bố v} chuyển động của không khí Ch€ơng 8 Hoˆn l€u khí quyển vˆ phân bố áp suất Trong mùa hè năm 1999, những bộ phận rộng lớn ở miền đông n‡ớc Mỹ v Canađa đã trải qua một số tuần rất nóng, nhiệt độ liên tục giữ cao hơn 38 oC. Nhiệt độ cao, cộng với m‡a ít, đã cng lm căng thẳng vấn đề thiếu n‡ớc bắt đầu từ mùa hè khô năm 1998 (hình 8.1). Đến giữa năm 1999, phần lớn khu vực, nhất l những bang trung tâm phía Đại Tây D‡ơng, bị trong rơi vo tình trạng khô hạn tồi tệ nhất trong nhiều thập niên. Các dòng chảy sông v mực n‡ớc hồ chứa cực thấp, buộc chính quyền một số bang phía đông phải công bố tình trạng khẩn cấp về khô hạn, cấm sử dụng n‡ớc phí phạm nh‡ t‡ới v‡ờn v rửa xe. Hình 8.1. Hoa m†u bị khô héo do khô hạn kéo d†i Thiệt hại nông nghiệp ‡ớc tính khoảng 800 triệu đô la. Nóng v khô hạn đã lm suy giảm nghiêm trọng sản l‡ợng thu hoạch của nhiều nông dân. Những ng‡ời khác lại bị dính một vấn đề khác: sản phẩm chín sớm bất th‡ờng gây nên d‡ thừa hng hóa v hạ giá. Những đợt giảm giá nh‡ vậy đã lm cho những chủ trại nh‡ Dale Benson ở Delawere không bán nổi sản phẩm của mình tại chợ địa ph‡ơng. Khô hạn còn reo rắc những hnh vi bất th‡ờng của động vật. Ví dụ, những con gấu đen đi lang thang ở các vùng ngoại ô những thnh phố lớn để tìm kiếm thức ăn. Một con gấu xuất hiện chỉ cách khu trung tâm của Baltimore 15 km, một chú khác đột nhập vo một phòng ăn gia đình ở gần Stillwater, bang New Jersey. Những sự kiện kiểu ny th‡ờng xuất hiện do các tình thế áp suất một khi đã hình thnh thì giữ ổn định trong những khoảng thời gian di bất th‡ờng. Tình hình chỉ nhẹ bớt khi tình thế áp suất thay đổi khác đi cho phép những điều kiện ẩm hơn. Trong ch‡ơng 4 chúng ta đã thấy rằng áp suất khí quyển biến thiên từ nơi ny đến nơi khác, nh‡ng sự phân bố của nó ngẫu nhiên. Ng‡ợc lại, một số hình thế rất xác định thống trị sự phân bố của áp suất v tr‡ờng gió trên bề mặt Trái Đất. Những hình thế quy mô lớn nhất, gọi l hon l‡u chung, có thể xem nh‡ một nền để trên đó những sự kiện bất th‡ờng xuất hiện, nh‡ khô hạn vừa mô tả ở trên. T‡ơng tự, thậm chí những biến thiên gió v áp suất hng ngy thông th‡ờng có thể xem nh‡ l các sai khác so với hon l‡u chung. Mục đích tr‡ớc hết của chúng ta trong ch‡ơng ny l mô tả những chuyển động gió thống trị ton hnh tinh v xem xét những quá trình phát sinh ra chúng. Chẳng hạn, chúng ta xét những quan hệ qua lại giữa tr‡ờng gió với khí quyển lớp trên v khí quyển lớp d‡ới cũng nh‡ những mối liên hệ kết nối diễn ra giữa biên phân cách của bề mặt các đại d‡ơng v khí quyển tầng thấp. Sau đó chúng ta xem xét những tình thế gió v áp suất ở quy mô không gian v thời gian nhỏ hơn tiếp sau. Ch‡ơng ny sẽ kết thúc với vấn đề t‡ơng tác khí quyển - đại d‡ơng. Mô hình một nhân Các nh khoa học đã tìm cách mô tả những sơ đồ hon l‡u chung nhiều thế kỷ nay. Ngay từ năm 1735, một nh vật lý ng‡ời Anh, George Hadley (1685-1768) đã đề xuất một sơ đồ hon l‡u chung đơn giản đ‡ợc gọi l mô hình một nhân (ổ) để mô tả chuyển động tổng quát của khí quyển. Một trong những mục đích chính của ông l để giải thích vì sao những ng‡ời đi biển th‡ờng rất hay thấy gió thổi từ phía đông sang phía tây ở các vĩ độ thấp. (Ng‡ời ta gọi gió thổi từ phía đông sang phía tây hoặc từ phía tây sang phía đông l gió vĩ h€ớng; còn gió chuyển động từ phía bắc xuống phía nam hoặc từ phía nam lên phía bắc - l gió kinh h€ớng *). Sơ đồ lý t‡ởng hóa của Hadley, đ‡ợc thể hiện trên hình 8.2a, đã giả thiết một hnh tinh đ‡ợc bao phủ bởi một đại d‡ơng duy nhất v đ‡ợc đốt nóng bằng một Mặt Trời cố định luôn nằm trên đỉnh đầu tại xích đạo. Hadley cho rằng sự đốt nóng mạnh tại xích đạo gây nên một sơ đồ hon l‡u, trong đó không khí bị giãn nở theo ph‡ơng thẳng đứng lên phía khí quyển tầng trên, phân kỳ về phía hai cực, chìm trở lại bề mặt v quay trở lại xích đạo. Tuy nhiên, Hadley không nghĩ gió sẽ đơn giản chuyển động tới phía bắc v tới phía nam. Ng‡ợc lại, ông tin rằng sự quay của Trái Đất sẽ lm lệch đ‡ờng không khí sang bên phải ở Bắc bán cầu v sang bên trái ở Nam bán cầu, dẫn tới gió bề mặt h‡ớng đông-tây đã thể hiện trong hình vẽ. * * Giú hiӃm khi là thuҫn tỳy vƭ hѭӟng hay thuҫn tỳy kinh hѭӟng, mà ngѭӧc lҥi thѭӡng chuyӇn ÿӝng trong mӝt hѭӟng trung gian. Trong trѭӡng hӧp này, chỳng ta sӁ xem giú cú hai hӧp phҫn, mӝt hӧp phҫn vƭ hѭӟng và mӝt hӧp phҫn kinh hѭӟng. Cú thӇ hai hӧp phҫn bҵng nhau (nhѭ trong giú tõy nam), song núi chung mӝt hӧp phҫn sӁ lӟn hѫn hӧp phҫn khỏc. * Hadley ÿó sӕng trong nhӳng năm 1685-1768, trѭӟc khi Gaspard de Coriolis (1792-1843) mụ tҧ ÿӏnh lѭӧng vӅ lѭӧng gia tӕc do chuyӇn ÿӝng xoay cӫa Trỏi Ĉҩt. Mһc dự vұy, Hadley ÿó cú mӝt nhұn thӭc ÿӏnh tớnh vӅ lӵc Coriolis và ỏp dөng nú vào mụ hỡnh cӫa ụng. 275 Hình 8.2. Mô hình một nhân (a) v† mô hình ba nhân (b) của áp suất khí quyển v† gió. Trong mô hình một nhân không khí nở lên trên, phân kỳ tới các cực, hạ xuống v† trôi trở về xích đạo ở gần bề mặt. Trong mô hình ba nhân ho†n l~u Hadley do nhiệt điều khiển chỉ giới hạn ở các vĩ độ thấp. Hai nhân khác (có vẻ lý thuyết hơn hiện thực) tồn tại ở mỗi bán cầu, đó l† nhân Ferrel v† nhân cực Những cống hiến chính của Hadley l đã chỉ ra rằng những chênh lệch về đốt nóng l nguyên nhân của các chuyển động vĩ mô ổn định (gọi l những houn lou do chế độ nhiệt quyết định) v rằng gió vĩ h‡ớng có thể l do sự lệch h‡ớng của gió kinh h‡ớng. Tuy nhiên, ý t‡ởng của ông về một nhân lớn duy nhất trong mỗi bán cầu không đ‡ợc hữu ích cho lắm. Một mô hình có phần hon thiện hơn đã diễn đạt hon l‡u chung một cách khá hơn - mặc dù vẫn rất đơn giản hóa. Đó l mô hình ba nhân (hình 8.2b), do nh khí t‡ợng học ng‡ời Mỹ William Ferrel (1817-1891) đề xuất năm 1865. Mô hình ba nhân Mô hình ba nhân phân chia hon l‡u của mỗi bán cầu thnh ba nhân riêng biệt: nhân Hadley do nhiệt điều khiển lm cho không khí hon l‡u giữa vùng nhiệt đới v các vùng cận nhiệt đới, một nhân Ferrel nằm ở các vĩ trung bình v một nhân cực. * Tuy l hiện thực hơn mô hình một nhân, mô hình ba nhân vẫn còn chung chung đến nỗi chỉ có những bộ phận của nó thực sự xuất hiện trên thế giới thực. Mặc dù vậy, các tên của nhiều đai gió v áp suất của mô hình ny đã trở nên xác định hơn trong hệ thống thuật ngữ hiện đại của chúng ta, v điều quan trọng l chúng ta hiểu đ‡ợc những đai giả định đó nằm ở đâu. Nhân Hadley Dọc theo xích đạo, sự đốt nóng mạnh của Mặt Trời lm cho không khí nở ra lên phía trên v phân kỳ về phía các cực. Điều đó tạo nên một đới áp suất thấp tại xích đạo gọi l áp thấp xích đạo, hay đới hội tụ nội chí tuyến (ITCZ). Những chuyển động thăng thống trị trong khu vực ny thuận lợi cho sự hình thnh những trận m‡a ro mạnh, đặc biệt vo buổi chiều. Giáng thủy mạnh gắn liền với đới hội tụ nội chí tuyến đ‡ợc quan sát thấy trên các bản đồ thời tiết v ảnh vệ tinh (hình 8.3). Hãy để ý trên hình rằng áp thấp xích đạo tồn tại không phải nh‡ một dải phủ mây đồng nhất, m nh‡ một đới chứa nhiều đám mây đối l‡u. Dải hội tụ nội chí tuyến l một đới vĩ độ m‡a nhiều nhất trên ton thế giới, nhiều nơi có đến hơn 200 ngy m‡a mỗi năm. Hãy hình dung bạn sẽ cảm thấy buồn chán nh‡ thế no trong một môi tr‡ờng nh‡ vậy, những buổi chiều nóng, ẩm với những trận m‡a ro suốt cả năm. Chính vì lẽ đó m dải hội tụ nội chí tuyến đôi khi bị gọi l những nơi u ám. Trong phạm vi nhân Hadley, không khí ở tầng đối l‡u trên chuyển động về phía cực tới vùng cận nhiệt đới, đến khoảng vĩ độ từ 20o đến 30o. Khi di chuyển, không khí đòi hỏi phải tăng chuyển động từ tây sang đông, chủ yếu bởi vì bảo ton động l‡ợng góc (xem chuyên mục 8-1: Những nguyên lý vật lý: Những vấn đề với mô hình một nhân). Hợp phần h‡ớng tây ny tỏ ra mạnh đến nỗi không khí trôi vòng quanh Trái Đất hai lần tr‡ớc khi đạt tới điểm đến cuối cùng ở các vùng cận nhiệt đới. Nói cách khác, không khí mực trên đi theo một đ‡ờng xoắn lớn ra khỏi các vùng nhiệt đới, trong đó chuyển động vĩ h‡ớng mạnh hơn nhiều so với hợp phần kinh h‡ớng. Ngoi những thứ khác, điều ny giải thích vì sao vật chất giải phóng từ những vụ phun tro núi lửa vùng nhiệt đới lan tỏa nhanh trên một khoảng cách rộng theo kinh độ. * Bҥn cú thӇ phõn võn, “Tҥi sao ba nhõn mà khụng phҧi mӝt con sӕ khỏc?” Nhӳng ÿai giú này xuҩt hiӋn nhӡ sӵ tѭѫng tỏc giӳa tӕc ÿӝ chuyӇn ÿӝng xoay cӫa Trỏi Ĉҩt và graÿien năng lѭӧng giӳa xớch ÿҥo và cỏc cӵc. NӃu Trỏi Ĉҩt xoay nhanh hѫn, chỳng ta cú thӇ kǤ vӑng nhiӅu ÿai hѫn. Nhѭ sao Mӝc, xoay quanh trөc cӫa nú trong 11 giӡ, cú nhiӅu ÿai, chӭ khụng phҧi chӍ cú ba trong mӛi bỏn cҫu. 277 Hình 8.3. Dải hội tụ nội chí tuyến (nhiệt đới) đ~ợc nhìn thấy nh~ một băng mây đối l~u v† m~a r†o trải rộng từ phía bắc Nam Mỹ ra ngo†i Thái Bình D~ơng trên tấm ảnh vệ tinh n†y Khi đạt tới vĩ độ khoảng 20o đến 30o, không khí trong nhân Hadley chìm xuống phía bề mặt để hình thnh các cao áp cận nhiệt đới, đó l những đới áp suất bề mặt cao. Vì không khí giáng bị nóng lên đoạn nhiệt, sự hình thnh mây rất bị cản trở v những điều kiện hoang mạc rất phổ biến ở những vùng cận nhiệt đới. Các cao áp cận nhiệt đới nói chung có građien áp suất bé v gió yếu. Những điều kiện nh‡ vậy có ảnh h‡ởng cực tiểu tới giao thông khoảng cách xa ngy nay. Nh‡ng ở thời kỳ tiền công nghiệp, khi m các tu viễn d‡ơng phụ thuộc vo gió thì thiếu vắng gió l một thảm họa. Những con tu cắt ngang qua Đại Tây D‡ơng từ châu Âu đến Thế giới mới rất ngại bị dừng giữa đại d‡ơng trong khi đi ngang qua vùng nhiệt đới. Nhiều khi hng hóa trên tu l gia súc v ngựa để mang bán cho Thế giới mới v nhiều chuyện kể rằng thủy thủ của các tu bị trễ phải quẳng cả ngựa của mình xuống đại d‡ơng. Con tu bị quẳng hng hóa đã vay m‡ợn cái tên của mình bằng thứ tên gọi theo kiểu nói lóng l những vĩ độ ngựa. ở Bắc ban cầu, khi građien áp suất h‡ớng không khí bề mặt từ vùng áp cao cận nhiệt đới về phía dải hội tụ nhiệt đới, lực Coriolis yếu lm lệch không khí một chút sang phía bên phải để hình thnh đới gió mậu dịch đông bắc (hay đơn giản l tín phong đông bắc). ở Nam bán cầu, không khí chuyển động về h‡ớng bắc từ cao áp cận nhiệt đới bị lệch sang bên trái để tạo thnh gió mậu dịch đông nam. Hãy chú ý rằng gió mậu dịch tồn tại trong một lớp khí quyển khá mỏng. Nếu lên cao dần trong đối l‡u quyển, những chuyển động h‡ớng đông suy yếu dần v cuối cùng bị thay thế bởi chuyển động h‡ớng tây ở bên trên. Tất cả các áp cao cận nhiệt đới, áp thấp xích đạo, gió tín phong v chuyển động h‡ớng tây ở mực trên cùng nhau hình thnh nên các nhân Hadley. Vì do nhiệt sinh ra, hon l‡u Hadley mạnh nhất vo mùa đông, khi građien nhiệt độ lớn nhất. 8-1 Những nguyên lý vật lý: Những vấn đề với mô hình một nhân Mô hình hon l‡u một nhân của Hadley l một mô hình đơn giản dựa trên sự đốt nóng bề mặt Trái Đất không đều. Trái ng‡ợc với mô tả của Hadley, hon l‡u do chế độ nhiệt chế ngự chỉ chiếm cứ một dải vĩ độ giữa khoảng 30oN v 30oS. Tại sao mô hình một nhân không phủ khắp từng bán cầu thay vì chỉ một đới gần nhiệt đới? Câu trả lời l quy về tính chất bảo toun của mô men góc. Giống nh‡ một một vật chuyển động trên một đ‡ờng thẳng có mô men “thẳng”, một vật chuyển động theo một quỹ đạo tròn có mô men “góc”. Nếu chúng ta khởi động một trọng vật quay ở đầu dây nh‡ trên hình 1, ta thấy sợi dây quét một góc lập thể tăng dần, từ đó có thuật ngữ mô men góc. Giá trị mô men góc rõ rng tăng theo khối l‡ợng của vật (hãy hình dung ta muốn dừng một vật rất nặng đang chuyển động). Mô men góc cũng tăng theo tốc độ, bởi vì nếu quay nhanh hơn thì mỗi giây sẽ quét đ‡ợc một diện tích lớn hơn. Cuối cùng, mô men góc tăng lên theo bán kính, cũng l vì một diện tích lớn hơn sẽ đ‡ợc quét trong một đơn vị thời gian. Tóm lại, ta có thể nói rằng mô men góc bằng tích của khối l‡ợng, tốc độ v bán kính, hay mvrA = , ở đây −A mô men góc, −m khối l‡ợng v −r bán kính quay. Nếu mô men góc đ‡ợc bảo ton, thì const=A . Mệnh đề đơn giản ny có một số hệ quả quan trọng. Ví dụ, giả sử ta giảm bán kính bằng cách rút ngắn sợi dây lại. Vì r giảm, tốc độ phải tăng lên, ngay cả khi ta không quay mạnh hơn. Chính hiện t‡ợng ny giúp cho vận động viên nhảy cầu xoay v nho lộn trong không khí. Sau khi rời ván nhảy, mô men góc của ng‡ời nhảy đ‡ợc cố định. Khi gập ng‡ời lại, ép chân tay vo sát tâm khối, ng‡ời ta sẽ quay rất nhanh. Lúc kết thúc cú nhảy, ng‡ời ta duỗi thẳng ng‡ời ra, giảm tốc độ xoay để tiếp n‡ớc thẳng đứng không quay v nhận đ‡ợc điểm cao. Điều đáng chú ý l ng‡ời nhảy không thể điều chỉnh mô men góc của họ trong không khí, m phải rời ván với mô men chính xác cần thiết cho một cú nhảy cụ thể. Bây giờ xét chuyển động xoay của Trái Đất. Tại xích đạo, mỗi điểm cố định trên bề mặt đi đ‡ợc một khoảng cách bằng chu vi của hnh tinh l 40000 km trong chu kỳ 24 giờ. Điều ny cũng áp dụng cho một phần tử không khí cố định so với bề mặt. Tại các vĩ độ cao hơn, chu vi bé hơn, nên phần tử dừng đi đ‡ợc khoảng cách ngắn hơn trong thời gian một ngy. Ví dụ, tại 40o thì tốc độ vo khoảng 31000 km/ngy. Bây giờ ta xem điều gì xảy ra khi một khối l‡ợng không khí xác định di chuyển từ xích đạo về phía cực Bắc. Khi đi về phía cực, r giảm, nên v phải tăng nếu mô men góc bảo ton. Tại vĩ độ 40o, v lớn hơn khoảng 30 %, hay 52000 km/ngy. Nói cách khác, phần tử đang chuyển động về phía đông với tốc độ 52000 km/ngy khi nó di chuyển vòng quanh trục xoay. Tại vĩ độ đó, bề mặt chỉ di chuyển với tốc độ 31000 km/ngy, cho nên phần tử đang chuyển động bên trên bề mặt. Đứng trên mặt đất, chúng ta sẽ thấy tốc độ gió bằng 21000 km/ngy (52000 trừ đi 31000). Đó l một giá trị rất lớn, t‡ơng đ‡ơng với một tốc độ gió 243 m/s! Theo mô hình một nhân, không khí ở mực cao thổi liên tục từ vùng xích đạo tới các cực. Nh‡ng nếu nh‡ vậy, sự bảo ton mô men góc sẽ mang lại cho không khí di chuyển h‡ớng về cực một tốc độ cao không t‡ởng t‡ợng nổi - lớn hơn nhiều so với tốc độ chúng ta từng thấy trong các vòi rồng thậm chí mạnh nhất. Những lý do vật lý ngăn cản không cho không khí duy trì đ‡ợc những dòng gió lớn nh‡ vậy, bởi vì thậm chí chỉ một nhiễu động nhỏ ngẫu nhiên sẽ có thể lm 279 Hình 1. Chuyển động quay của một vật ở đầu dây (a) minh họa cho sự bảo ton mô men góc. Khi sợi dây bị kéo ngắn lại (b), tốc độ quay của nó tăng lên để duy trì mô men góc không đổi cho gió bị phá vỡ thnh nhiều cuộn xoáy với các chuyển động bắc-nam rất mạnh. Mô hình một nhân còn gặp phải một thách thức khác, cũng liên quan tới sự bảo ton mô men góc. Nhìn một cách tổng thể, tổng mô men của cả Trái Đất l một hằng số - không có bất kỳ một ngọai lực no ở ngoi hnh tinh của chúng ta tác động để lm tăng hay giảm vận tốc quay của nó. (Chúng ta bỏ qua sự biến đổi lực hấp dẫn gây ra do sự dịch chuyển của các hnh tinh, hay những yếu tố thứ yếu khác). Một mô men góc đ‡ợc trao đổi giữa Trái Đất với khí quyển, do lực ma sát, khi không khí chuyển động tr‡ợt trên bề mặt Trái Đất. Đối với tr‡ờng hợp gió tây, mô men đ‡ợc truyền từ khí quyển đến bề mặt Trái Đất, do không khí đ‡ợc “đẩy” theo h‡ớng của chuyển động quay của Trái Đất. T‡ơng tự, đối với tr‡ờng hợp gió đông, mô men đ‡ợc truyền từ bề mặt Trái Đất vo khí quyển. Trong mô hình một vòng đơn, gió Đông sẽ đ‡ợc tạo ra ở khắp mọi điểm trên Trái Đất. Nếu nh‡ điều ny xảy ra, Trái Đất sẽ truyền westerly mô men vo khí quyển tại mọi điểm, v điều ny sẽ dẫn Khí quyển đến chỗ bị phá hủy trong vòng 1 hoặc 2 tuần lễ. Để tránh đ‡ợc vấn đề ny, ở đâu đó cần phải có gió Tây dung hòa đới gió Đông. Nói một cách cụ thể, tổng mô men chuyển từ mặt đất vo khí quyển (tính trung bình cho ton bộ Trái Đất) phải bằng tổng mô men đ‡ợc chuyển từ khí quyển trở lại lớp bề mặt. Do vậy, mô hình một hon l‡u duy nhất l không khả thi áp dụng cho Trái Đất cũng nh‡ cho bất kỳ một hnh tinh no chuyển động xoay. Các nhân Ferrel v† nhân cực Theo mô hình ba nhân, nhân Hadley chịu trách nhiệm về chuyển động v phân bố không khí bên trên khoảng một nửa bề mặt Trái Đất. Trực tiếp án ngữ bên cạnh nhân Hadley ở mỗi bán cầu l nhân Ferrel, nó l‡u chuyển không khí giữa các áp cao cận nhiệt đới v các áp thấp cận cực, hay những khu vực áp suất thấp. ở cạnh phía xích đạo của nhân Ferrel, không khí từ cao áp cận nhiệt đới Bắc bán cầu thổi về phía cực bị lệch h‡ớng một cách đáng kể về bên phải, tạo nên một đai gió gọi l đai gió tây. ở Nam bán cầu, lực građien áp suất dồn không khí về phía nam, nh‡ng lực Coriolis lm lệch nó sang bên trái - do đó cũng tạo nên một đới gió tây ở bán cầu ny. Không giống nhân Hadley, nhân Ferrel đ‡ợc t‡ởng t‡ợng nh‡ một nhân không trực tiếp, nghĩa l nó không sinh ra từ những chênh lệch về độ đốt nóng, m ng‡ợc lại, đ‡ợc gây nên bởi sự chuyển tiếp của hai nhân kế cận. Hãy hình dung ba con bi đ‡ợc đặt liền nhau, từng con bi chạm với con bi khác. Nếu hai con bi phía ngoi cùng xoay trong một h‡ớng, thì ma sát sẽ lm cho con bi ở giữa chuyển động. Vậy, nhân Ferrel thể hiện cùng một kiểu quay khép kín nh‡ các nhân khác, nh‡ng vì những nguyên nhân khác. Trong các nhân cực của mô hình ba nhân, không khí tại bề mặt di chuyển từ các áp cao cực tới các áp thấp cận cực. Giống nh‡ các nhân Hadley, các nhân cực đ‡ợc xem l những hon l‡u điều khiển bởi nhiệt. So với các cực, không khí tại các địa điểm cận cực hơi ấm hơn, nó l không khí nâng lên ở trong vùng áp suất bề mặt thấp. Những điều kiện rất lạnh ở các cực tạo ra áp suất bề mặt cao v chuyển động ở mực thấp về phía xích đạo. Trong cả hai bán cầu, lực Coriolis lm lệch h‡ớng không khí để hình thnh một đới gió đông cực ở trong khí quyển tầng thấp. Đối chiếu mô hình ba nhân với hiện thực: những điểm chủ yếu nhất Các đai gió v áp suất của mô hình ba nhân có mô tả đúng những hình thế trong thế giới hiện thực không? Câu trả lời l: có vẻ nh‡ vậy. Chúng ta đã thấy rằng giải hội tụ nhiệt đới l hiện thực đủ để có thể quan trắc đ‡ợc từ vũ trụ v rằng nhiều vùng hoang mạc đang tồn tại ở những vị trí dự báo của chúng. Hơn nữa, các dòng gió mậu dịch l những dòng ổn định nhất trên Trái Đất. Phải nói rằng hon l‡u Hadley cung cấp một bằng chứng rất tốt về những chuyển động vĩ độ thấp. Mặt khác, các nhân Ferrel v các nhân cực không hon ton thể hiện tốt trong thực tế, mặc dù chúng có một số biểu lộ trong khí hậu thực tế. Nếu xét theo các tr‡ờng gió bề mặt, nhiều vĩ độ trung bình đ‡ợc trải nghiệm các gió tây mạnh m mô hình đã mô tả, đacự biệt ở Nam bán cầu. Dĩ nhiên, các điều kiện địa ph‡ơng th‡ờng hay lm lu mờ mất xu thế (thực tế, nhiều vùng ở phần trung tâm n‡ớc Mỹ bị thống trị bởi một dòng gió nam trong thời gian mùa hè). Để thấy đ‡ợc một hình thế ổn định của các dòng gió đông cực trong chế độ gió tổng cộng thậm chí còn khó hơn. Chúng xuất hiện trong các giá trị trung bình hạn di, nh‡ng không phải l một đai gió thể hiện rõ rệt nh‡ các đai gió mậu dịch. Nếu xét theo các chuyển động mực cao, mô hình ba nhân l hon ton không hiện thực. Chẳng hạn, ở nơi m nhân Ferrel đề xuất chuyển động đông trong đối l‡u quyển tầng cao thì ở nơi đó lại ngự trị gió tây. Hơn nữa, những nhân đổi h‡ớng lớn không tồn tại ở bên ngoi các đới Hadley. Do đó, mô hình ba nhân chủ yếu chỉ cung cấp một điểm khởi đầu cho việc xem xét một cách chi tiết hơn. Nh‡ng có lẽ những nh‡ợc điểm của nó không có gì ngạc nhiên, nếu biết rằng nó ch‡a tính đến những t‡ơng phản lục địa - đại d‡ơng hay ảnh h‡ởng của địa hình bề mặt, hai nhân tố chắc chắn phải ảnh h‡ởng tới tr‡ờng gió v áp suất hnh tinh. 281 Các nhân áp suất bán vĩnh cửu Mô hình ba nhân cho chúng ta một xuất phát điểm tốt để mô tả phân bố chung của gió v áp suất, nh‡ng thế giới thực không bị bao phủ bởi một loạt các đai hon ton khép kín vòng quanh địa cầu. Ng‡ợc lại, chúng ta thấy một số nhân áp suất cao vˆ thấp bán vĩnh cửu thay đổi, nh‡ đã thể hiện trên hình 8.4. Chúng đ‡ợc gọi l bán vĩnh cửu bởi vì chúng trải qua những biến đổi mùa về vị trí v c‡ờng độ trong quá trình một năm. Một số trong những nhân đó xuất hiện do những chênh lệch nhiệt độ, một số khác do các quá trình động lực học (có nghĩa rằng chúng liên quan tới những chuyển động của khí quyển). Trong số những thnh tạo nổi bật nhất ở Bắc bán cầu trong mùa đông (hình 8.4a) có: các áp thấp Aleut v Icelandia - tuần tự ở trên Thái Bình D‡ơng v Đại Tây D‡ơng, áp cao Siberia trên phần trung tâm châu á. Trong mùa hè (hình 8.4b), những nhân phát triển nhất l: các áp cao Hawaii v Bermuda-Azores của Thái Bình D‡ơng v Đại Tây D‡ơng, áp thấp Tibet ở Nam á. Kích th‡ớc, c‡ờng độ v vị trí của các nhân bán vĩnh cửu biến đổi một cách đáng kể từ mùa hè tới mùa đông. Trong thời gian mùa đông, một áp thấp Icelandia mạnh chiếm cứ một phần rộng lớn của Bắc Đại Tây D‡ơng, còn áp cao Bermuda- Azores xuất hiện thnh một xoáy nghịch nhỏ, yếu. Trong mùa hè, áp thấp Icelandia suy yếu đi v giảm thiểu về kích th‡ớc, nh‡ng áp cao Bermuda-Azores mạnh lên v mở rộng. Thậm chí một cách kịch tính hơn, áp cao Siberia của mùa đông ở phần phía trong của châu á nh‡ờng chỗ cho áp thấp Tibet của mùa hè. Nh‡ chúng ta sẽ thấy sau trong ch‡ơng ny, sự chuyển đổi mùa trong phân bố của các nhân bán vĩnh cửu đóng vai trò quan trọng đối với các hình thế hon l‡u quan trọng nhất của Trái Đất - gió mùa của miền nam v đông nam châu á. Chúng ta đã nhắc tới tr‡ớc đây rằng nhân Hadley dễ dng thấy trong thế giới thực, với dải hội tụ nhiệt đới xuất hiện bên trên phần lớn các vùng xích đạo v những cao áp cận nhiệt đới tồn tại ở nhiều vùng nhiệt đới. Nh‡ng nh‡ các bạn có thể còn thấy trên hình 8.4, các áp cao cận nhiệt đới tồn tại chủ yếu trên các đại d‡ơng (nh‡ các áp cao Hawaii v Bermuda-Azores trên Bắc bán cầu) v không ở trên đất liền. Mặc dù không có áp suất mực n‡ớc biển cao một cách đáng kể bên trên các khối lục địa cận nhiệt đới, nh‡ng không khí trong đối l‡u quyển tầng trung trải qua các chuyển động giáng, nó hạn chế sự hình thnh mây v thuận lợi cho những điều kiện hoang mạc. Hoang mạc Sahara của Bắc Phi, hoang mạc trung tâm nội địa n‡ớc úc v các hoang mạc của miền tây nam Hoa Kỳ v tây bắc Mexico phản ánh rõ rệt về các quá trình giáng. Vì độ nghiêng của Mặt Trời biến đổi theo mùa, nên dải bị đốt nóng mạnh nhất cũng biến đổi. Biết rằng các nhân Hadley l những nhân nhiệt, chúng ta có thể kỳ vọng các đai áp suất v gió liên quan di chuyển theo mùa, v thực sự l nh‡ vậy. Mặc dù với một khoảng thời gian trễ một số tuần, dải hội tụ nhiệt đới, các cao áp cận nhiệt đới v gió tín phong tất cả đều đi theo “Mặt Trời di c‡”. Sự di chuyển ny có một ảnh h‡ởng to lớn tới nhiều vùng khí hậu của thế giới - v tới những ng‡ời sống trong đó. (a) Tháng 1 (b) Tháng 7 Hình 8.4. Phân bố áp suất mực mặt biển trong mùa đông (a) v† mùa hè (b) Ví dụ, nhiều khu vực gần xích đạo bị dải hội tụ nhiệt đới thống trị trong suốt năm v không trải qua mùa khô. Tuy nhiên, những khu vực nằm gần các rìa phía cực của dải hội tụ nhiệt đới có những mùa khô ngắn ngủi khi dải ny di chuyển về phía xích đạo. Ví dụ, hãy so sánh những hình thế m‡a trung bình của Iquitos, Peru 283 (vĩ độ 3 oS) v San Jose, Costa Rica (vĩ độ 9 oN). Iquitos nằm sát xích đạo hơn cho nên nó bị ảnh h‡ởng suốt cả năm bởi dải hội tụ nhiệt đới, còn San Jose có một thời kỳ khô t‡ơng đối từ tháng 1 đến tháng 3, khi hệ thống áp suất thấp dịch chuyển về phía nam. T‡ơng tự nh‡ vậy, một số khu vực nằm ở rìa phía xích đạo của các cao áp cận nhiệt đới thì khô trong gần hết năm, ngoại trừ một thời kỳ ngắn khi hệ thống dịch chuyển về phía cực trong thời gian mùa hè. Điều kiện ny tồn tại ở Sahel của châu Phi, khu vực tiếp giáp với rìa phía nam của hoang mạc Sahara (hình 8.5a). Không giống nh‡ Sahara khô trong suốt năm, Sahel th‡ờng trải qua một thời kỳ có m‡a ngắn trong mỗi mùa hè khi dải hội tụ nhiệt đới lan tới khu vực (hình 8.5b). Trong thời gian còn lại của năm, không khí giáng của nhân Hadley dẫn đến những điều kiện khô (hình 8.5c). Sự di chuyển của nhân Hadley đã từ lâu hỗ trợ cho một lối sinh hoạt truyền thống, trong đó những ng‡ời chăn thả gia súc châu Phi thích ứng theo những trận m‡a di chuyển lên phía bắc v xuống phía nam. Trong những năm 1960 v 1970 dân số của khu vực đã tăng lên một cách ngoạn mục, dẫn tới tình trạng thiếu thức ăn cho vật nuôi v gây nên tình trạng ở mức thảm họa khi nạn khô hạn nhiều năm tấn công khu vực ny. Hng triệu con vật nuôi chính bị chết bởi thiếu thức ăn v n‡ớc, về phía mình chuyện ny dẫn đến cái chết của hng chục nghìn ng‡ời. Trong những năm 1990, tình trạng m‡a ít lại xảy ra với Sahel, khô hạn đã dẫn tới nạn chết đói ‡ớc tính của 300000 ng‡ời. Nh‡ vậy, sự hiện diện của các nhân ny - v những biến động trong quá trình phát triển của chúng ở những năm bất th‡ờng - k