Cơ chế nhiệt của khí quyển

- 66 - Ch−¬ng 3. C¬ chÕ nhiÖt cña khÝ quyÓn 3.1 C©n b»ng n¨ng l−îng toμn cÇu Trong môc nμy sÏ tr×nh bμy mét sè ®Þnh luËt c¬ b¶n gióp m« t¶ c¬ chÕ nhiÖt cña hoμn l−u toμn cÇu. Trong môc nμy chØ xem xÐt tíi c©n b»ng n¨ng l−îng trung b×nh toμn cÇu cña khÝ quyÓn; trong phÇn sau sÏ xÐt tíi sù biÕn ®æi ®Þa lý cña c©n b»ng nμy. Trong c¸c phÇn nμy sÏ giíi thiÖu kh¸i niÖm vÒ c©n b»ng bøc x¹, chØ ra qui m« thêi gian cÇn ®Ó thiÕt lËp c©n b»ng nμy. §Þnh luËt vËt lý c¬ b¶n ®−îc sö dông lμ ®Þnh luËt Stefan. §Þnh luËt nμy ph¸t biÓu r»ng n¨ng l−îng bøc x¹ ph¸t ra tõ mét ®¬n vÞ diÖn tÝch cña vËt ®en tuyÖt ®èi tû lÖ víi luü thõa bËc bèn cña nhiÖt ®é 4TS  (3.1) trong ®ã  lμ h»ng sè Stefan-Boltzman, cã gi¸ trÞ b»ng 5,67x10-8 Wm-2K-4. §èi víi môc ®Ých cña ta, bÒ mÆt cña Tr¸i §Êt hay bÒ mÆt cña mÆt trêi ®−îc xem lμ vËt ®en tuyÖt ®èi vμ tu©n theo ®Þnh luËt Stefan. Mét vËt ®en ph¸t ra bøc x¹ trong mét kho¶ng tÇn sè nhÊt ®Þnh, tuy nhiªn víi mét tÇn sè cùc ®¹i max. §Þnh luËt Wien biÓu thÞ quan hÖ gi÷a tÇn sè max víi nhiÖt ®é cña vËt ®en tuyÖt ®èi nh− sau WTvmax  (3.2) trong ®ã W lμ mét h»ng sè, cã gi¸ trÞ b»ng 1,035x1011K-1s-1. Trªn H×nh 3.1 biÓu diÔn ®å thÞ gi÷a n¨ng l−îng vμ tÇn sè cña vËt ®en ë c¸c nhiÖt ®é kh¸c nhau. MÆt trêi víi nhiÖt ®é bÒ mÆt vμo kho¶ng 5750K, ph¸t x¹ chñ yÕu ë b−íc sãng nh×n thÊy vμ b−íc sãng gÇn hång ngo¹i víi mét cùc ®¹i n»m trong phæ cña b−íc sãng nh×n thÊy. KhÝ quyÓn s¹ch gÇn nh− lμ thÊu x¹ hoμn toμn ®èi víi c¸c b−íc sãng nμy, do ®ã hÇu hÕt c¸c tia mÆt trêi ®¹t tíi bÒ mÆt ®Êt hoÆc Ýt nhÊt còng ®¹t tíi c¸c mùc trong tÇng ®èi l−u, n¬i cã ®Ønh c¸c ®¸m m©y. Thùc tÕ, hÇu hÕt c¸c khÝ h×nh thμnh nªn bÇu khÝ quyÓn hμnh tinh ®Òu hÊp thô rÊt Ýt tia bøc x¹ mÆt trêi. B¶n th©n khÝ quyÓn víi nhiÖt ®é trung b×nh vμo kho¶ng 200-300K sÏ ph¸t x¹ ë c¸c b−íc sãng dμi h¬n, n»m trong phæ hång ngo¹i. KhÝ quyÓn kh«ng thÊu x¹ ®èi víi c¸c b−íc sãng nμy. C¸c thμnh phÇn nh− h¬i n−íc, khÝ cacbonic, vμ oz«n (n»m trong tÇng b×nh l−u) hÊp thô hÇu hÕt c¸c tia nμy. V× vËy bÒ mÆt kh«ng cã kh¶ n¨ng ph¸t x¹ trùc tiÕp vμo kh«ng gian vò trô vμ nhËn thªm bøc x¹ sãng dμi ph¸t ra tõ c¸c líp n»m phÝa trªn khÝ quyÓn. NhiÖt ®é cña nã sÏ t¨ng cao h¬n gi¸ trÞ c©n b»ng ®èi víi mét vËt thÓ ®øng yªn. KhÝ quyÓn ®ãng vai trß nh− mét líp vá bäc, hÊp thô nhiÖt ë gÇn bÒ mÆt vμ lμm t¨ng nhiÖt ®é cña khÝ quyÓn, hiÖu øng nμy th−êng ®−îc gäi lμ hiÖu øng nhμ kÝnh. - 67 - H×nh 3.1 §−êng cong biÓu diÔn bøc x¹ ph¸t ra trªn mét tÇn sè ®¬n vÞ lµ mét hµm cña tÇn sè cña vËt ®en víi nhiÖt ®é øng víi 255K vµ 5750K. C¸c kh¸i niÖm trªn cã thÓ ®−îc m« t¶ mét c¸ch ®Þnh l−îng. KÝ hiÖu th«ng l−îng bøc x¹ mÆt trêi bÊt kú chiÕu tíi Tr¸i §Êt lμ S; S ®«i khi ®−îc gäi lμ h»ng sè mÆt trêi, thùc tÕ gi¸ trÞ nμy biÕn ®æi trong n¨m theo sù thay ®æi kho¶ng c¸ch gi÷a Tr¸i §Êt vμ mÆt trêi. Gi¸ trÞ trung b×nh cña S lμ 1370Wm-2. Tr¸i §Êt víi diÖn tÝch a2 vu«ng gãc víi tia mÆt trêi tuy nhiªn cã tæng diÖn tÝch bÒ mÆt lμ 4a2; Th«ng l−îng bøc x¹ trung b×nh trªn mét ®¬n vÞ diÖn tÝch bÒ mÆt Tr¸i §Êt sÏ lμ S/4. Mét l−îng nhá  tia bøc x¹ mÆt trêi sÏ bÞ ph¶n x¹ ng−îc trë l¹i vμo kh«ng gian vò trô;  lμ albedo, cã gi¸ trÞ 0,29 ®èi víi Tr¸i §Êt, tuy nhiªn gi¸ trÞ nμy biÕn ®æi theo ®Þa ph−¬ng rÊt m¹nh vμ ®ãng vai trß kh¸ quan träng. Albedo cña m©y hoÆc cña tuyÕt míi r¬i rÊt lín, kho¶ng 0.9, trong khi ®ã albedo cña rõng hoÆc cña bÒ mÆt ®¹i d−¬ng nhá h¬n nhiÒu, chØ vμo kho¶ng 0,07. Th«ng l−îng tæng céng mμ Tr¸i §Êt hÊp thô ®−îc lμ I = (1-)S/4; ë tr¹ng th¸i dõng gi¸ trÞ nμy ph¶i c©n b»ng víi l−îng bøc x¹ hång ngo¹i ph¸t ra tõ bÒ mÆt Tr¸i §Êt. Sö dông ph−¬ng tr×nh (3.1), nhiÖt ®é trung b×nh cña hÖ Tr¸i §Êt-khÝ quyÓn lμ   4/1 B 4 S1T       (3.3) NhiÖt ®é tÝnh theo c¸ch nμy ®«i khi ®−îc gäi lμ nhiÖt ®é ph¸t s¸ng; ®©y lμ nhiÖt ®é mμ mét vËt ®en cã thÓ cã ®Ó ph¸t ra cïng gi¸ trÞ bøc x¹ hång ngo¹i. ThÕ gi¸ trÞ nμy ®èi víi Tr¸i §Êt ta ®−îc TB = 255K. NhiÖt ®é nμy nhá h¬n so víi gi¸ trÞ nhiÖt ®é trung b×nh cña bÒ mÆt Tr¸i §Êt (kho¶ng 288K). NhiÖt ®é ph¸t x¹ TB cã thÓ ®−îc xem nh− lμ nhiÖt ®é ®Æc tr−ng cña c¸c líp phÝa trªn cña tÇng ®èi l−u cã thÓ ph¸t ra bøc x¹ hång ngo¹i trùc tiÕp vμo kh«ng gian vò trô. BÒ mÆt vμ c¸c líp khÝ quyÓn phÝa d−íi cã nhiÖt ®é cao h¬n v× khÝ quyÓn lμ kh«ng thÊu x¹ ®èi víi bøc x¹ hång ngo¹i. - 68 - H×nh 3.2 M« h×nh líp ®¬n nhÊt cña hÖ thèng Tr¸i §Êt-khÝ quyÓn Cã thÓ gi¶i thÝch ®−îc ®iÒu nμy nÕu coi khÝ quyÓn nh− lμ mét líp khÝ ®ång nhÊt n»m phÝa trªn bÒ mÆt Tr¸i §Êt, nh− biÓu diÔn trªn H×nh 3.2. §Ó ®¬n gi¶n, gi¶ thiÕt r»ng khÝ quyÓn lμ hoμn toμn thÊu x¹ ®èi víi bøc x¹ nh×n thÊy nh−ng hÊp thô ®−îc mét phÇn bøc x¹ hång ngo¹i  xuyªn qua nã. MÆt ®Êt ph¸t ra bøc x¹ víi tèc ®é lμ U, trong ®ã mét phÇn (1-) ®i vμo kh«ng gian vò trô, trong khi ®ã khÝ quyÓn bÞ ®èt nãng ph¸t ra bøc x¹ lμ B vÒ phÝa mÆt ®Êt vμ vμo kh«ng gian vò trô. NhiÖt ®é cña mÆt ®Êt lμ Tg vμ cña kh«ng khÝ lμ Ta nhËn ®−îc tõ ph−¬ng tr×nh (3.1)     4/1a4/1g /BT,/UT  (3.4) ë tr¹ng th¸i dõng, th«ng l−îng bøc x¹ ®i ®Õn vμ ®i ra khái bÒ mÆt ph¶i c©n b»ng víi nhau   UB 4 S1  (3.5) th«ng l−îng ®i vμo vμ ®i ra khái khÝ quyÓn UB2  (3.6) Rót B tõ c¸c ph−¬ng tr×nh trªn vμ sö dông ph−¬ng tr×nh (3.3) ta ®−îc B 4/1 g T2 2T      (3.7) t−¬ng tù ta cã B 4/1 a T2 T       (3.8) V× vËy, víi h¹n chÕ lμ khÝ quyÓn kh«ng thÊu x¹ víi bøc x¹ hång ngo¹i, tøc lμ   1, ta cã Tg = 21/4 TB vμ Ta = TB; bÒ mÆt cã nhiÖt ®é cao h¬n c¸c líp khÝ quyÓn phÝa trªn. LÊy TB = 255K th× Tg = 303K, gi¸ trÞ nμy cao h¬n mét chót so víi gi¸ trÞ quan tr¾c ®−îc. Víi  = 0,771 quan tr¾c ®−îc Tg = 288K. Trong tr−êng hîp nμy, Ta = 227K cho thÊy khÝ quyÓn thÊu x¹ sÏ cã tèc ®é gi¶m c©n b»ng bøc x¹ m¹nh h¬n. Mét tÝnh to¸n phøc t¹p h¬n sö dông gÇn ®óng nhiÒu mùc trong cÊu tróc th¼ng ®øng cña khÝ quyÓn cho ta gi¸ trÞ nhiÖt ®é bÒ mÆt cao h¬n; m« h×nh nh− vËy gi¶i thÝch cho nhiÖt ®é bÒ mÆt cùc ®¹i - 69 - cña Sao Kim. M« h×nh nμy cã thÓ bao gåm c¶ c¸c qu¸ tr×nh nh− ph¸t bøc x¹ cña c¸c xol khÝ. T¸c ®éng cña riªng qu¸ tr×nh bøc x¹ sÏ thiÕt lËp nªn mét cÊu tróc nhiÖt c©n b»ng, víi nhiÖt ®é gi¶m theo chiÒu cao vμ phô thuéc vμo c−êng ®é cña bøc x¹ mÆt trêi ®i ®Õn. C©n b»ng nμy ®−îc gäi lμ c©n b»ng bøc x¹. B©y giê ta h·y xem xÐt tíi thêi gian cÇn ®Ó thiÕt lËp nhiÖt ®é c©n b»ng bøc x¹ nμy. Nã cã thÓ ®−îc −íc l−îng nh− sau: gi¶ thiÕt r»ng do mét sè t¸c ®éng kh«ng râ rμng mμ nhiÖt ®é cña khÝ quyÓn bÞ dao ®éng l©n cËn gi¸ trÞ c©n b»ng bøc x¹. §Ó ®¬n gi¶n, gi¶ thiÕt nhiÖt dung cña bÒ mÆt ®−îc bá qua; trong tr−êng hîp nμy, ph−¬ng tr×nh (3.5) vÉn tho¶ m·n. Tuy nhiªn, ph−¬ng tr×nh (3.6) ph¶i viÕt l¹i d−íi d¹ng sau B2U dt dT g pc asp  (3.9) trong ®ã ps lμ gi¸ trÞ khÝ ¸p bÒ mÆt; cpps/g lμ nhiÖt dung cña c¶ cét khÝ quyÓn trªn mét ®¬n vÞ diÖn tÝch n»m ngang. BiÓu diÔn Ta = Ta0 + T, trong ®ã Ta0 lμ gi¸ trÞ c©n b»ng tÝnh ®−îc tõ ph−¬ng tr×nh (3.7), vμ 0aTT  . Khi ®ã ph−¬ng tr×nh (3.9) cã thÓ ®−îc tuyÕn tÝnh ho¸ theo Ta0 nh− sau     T cp gT24T dt d ps 0a 3  (3.10) Ph−¬ng tr×nh nμy cã nghiÖm d¹ng ®¬n gi¶n ®· biÕt: T gi¶m theo qui luËt hμm mò víi qui m« thêi gian E trong ®ã   gT24 cp 0a 3 ps E  (3.11) ®−îc gäi lμ qui m« thêi gian c©n b»ng bøc x¹. NÕu qui m« thêi gian bøc x¹ nμy lín h¬n so víi qui m« thêi gian ®Æc tr−ng cña chuyÓn ®éng trong khÝ quyÓn th× chuyÓn ®éng cña dßng khÝ cã thÓ duy tr× nhiÖt ®é khÝ quyÓn nhá h¬n nhiÒu so víi gi¸ trÞ c©n b»ng bøc x¹. MÆt kh¸c, nÕu E nhá, c¸c hiÖn t−îng khÝ t−îng sÏ chØ cã t¸c ®éng rÊt nhá ®èi víi c©n b»ng bøc x¹. §èi víi Tr¸i §Êt, gi¶ thiÕt  = 1 v× vËy TB = 255K; khi ®ã E x¸c ®Þnh tõ ph−¬ng tr×nh (3.11) vμo kho¶ng 30 ngμy. Thêi gian nμy lín h¬n so víi qui m« thêi gian ®Æc tr−ng lμ tõ 1-5 ngμy cña qu¸ tr×nh b×nh l−u trong hÖ thèng thêi tiÕt qui m« lín ë tÇng ®èi l−u, vμ do ®ã cã thÓ thÊy r»ng hoμn l−u khÝ quyÓn sÏ bÞ biÕn ®æi do chÝnh cÊu tróc nhiÖt cña nã. Lo¹i m« h×nh ®−îc tr×nh bμy trong môc nμy ®«i khi ®−îc gäi lμ m« h×nh khÝ hËu c©n b»ng n¨ng l−îng. C¸c m« h×nh kiÓu nh− vËy sö dông c¸c gi¸ trÞ th«ng l−îng n¨ng l−îng tíi vμ mÊt ®i trung b×nh toμn cÇu ®Ó ®¸nh gi¸ nhiÖt ®é trung b×nh toμn cÇu. C¸c phiªn b¶n phøc t¹p h¬n cña lo¹i m« h×nh nμy cßn tÝnh ®Õn c¸c hiÖu øng håi tiÕp phøc t¹p, ch¼ng h¹n nh− qu¸ tr×nh håi tiÕp cña b¨ng-albedo. Tuy nhiªn, c¸c m« h×nh phøc t¹p nμy còng kh«ng ®−a ra c¸ch gi¶i thÝch míi vÒ hoμn l−u toμn cÇu, hoμn l−u bÞ ®iÒu khiÓn bëi rÊt nhiÒu sù biÕn ®æi cña tr−êng nhiÖt ë nhiÒu phÇn kh¸c nhau trong khÝ quyÓn. H¬n n÷a, do tÝnh phi tuyÕn kh¸ phøc t¹p cña hÖ thèng khÝ hËu nªn c¸c m« h×nh c©n b»ng n¨ng l−îng ®¬n gi¶n kh«ng ®−a ra ®−îc nh÷ng gi¶i thÝch tin cËy vÒ khÝ hËu trung b×nh toμn cÇu, mÆc dï c¸c m« h×nh nμy ®−îc sö dông ®Ó nghiªn cøu sù biÕn ®æi khÝ hËu do c¸c d¹ng nhiÔu ®éng kh¸c nhau. - 70 - 3.2 C©n b»ng bøc x¹ ®Þa ph−¬ng Trong môc tr−íc ta ®· ®Ò cËp tíi c©n b»ng bøc x¹ toμn cÇu. Tuy nhiªn, hoμn l−u qui m« lín cña khÝ quyÓn ®−îc ®iÒu khiÓn bëi sù biÕn ®æi nhiÖt ®é tõ n¬i nμy ®Õn n¬i kh¸c. V× vËy trong môc nμy sÏ ®Ò cËp tíi sù biÕn ®æi cña tr−êng bøc x¹ theo ®iÒu kiÖn ®Þa lý. Sù biÕn ®æi theo ®iÒu kiÖn ®Þa lý nμy còng biÕn ®æi theo thêi gian, do ®ã nã ¶nh h−ëng tíi biÕn tr×nh ngμy vμ n¨m cña hoμn l−u khÝ quyÓn. C¶ bøc x¹ mÆt trêi ®Õn vμ albedo cña Tr¸i §Êt ®Òu biÕn ®æi rÊt m¹nh theo vÜ ®é. H×nh 3.3(a) biÓu diÔn th«ng l−îng bøc x¹ mÆt trêi ®Õn trung b×nh n¨m theo vÜ ®é. KÝ hiÖu th«ng l−îng bøc x¹ ®i ®Õn lμ I. Khi ®ã gi¸ trÞ trung b×nh toμn cÇu cña I sÏ lμ S/4 nh− ®· chØ ra trong môc tr−íc. C¸c yÕu tè h×nh häc cho thÊy I cã gi¸ trÞ lín ë miÒn nhiÖt ®íi vμ cã gi¸ trÞ nhá h¬n ë c¸c miÒn cùc. T¹i sao gi¸ trÞ cña nã kh«ng gi¶m theo trôc cña Tr¸i §Êt, khi ®ã ®−¬ng nhiªn gi¸ trÞ ë miÒn cùc sÏ b»ng kh«ng. NÕu x¶y ra nh− vËy th× sÏ tån t¹i mét sù c« lËp ë miÒn cùc trong mïa hÌ. Thùc tÕ, gi¸ trÞ ®Þa ph−¬ng cña I ®¹t cùc ®¹i ë miÒn cùc xung quanh kho¶ng thêi gian h¹ chÝ. Gi¸ trÞ trung b×nh n¨m cña I gi¶m tõ xÝch ®¹o vÒ phÝa cùc lμ do sù biÕn ®æi cña albedo. Albedo ë c¸c miÒn vÜ ®é cao n¬i tuyÕt vμ b¨ng bao phñ nhiÒu vμ gÇn nh− quanh n¨m sÏ cã gi¸ trÞ lín h¬n nhiÒu so víi vïng vÜ ®é thÊp. H¬n n÷a, ë miÒn «n ®íi cã nhiÒu m©y h¬n so víi miÒn cËn nhiÖt ®íi. KÕt qu¶ lμ, mét l−îng th«ng l−îng sãng ng¾n gÇn nh− lμ h»ng sè kho¶ng 100Wm-2 bÞ ph¶n x¹ trë l¹i vμo kh«ng gian vò trô mét c¸ch trùc tiÕp t¹i tÊt c¶ c¸c vÜ ®é. Do ®ã bøc x¹ bÞ hÊp thô bëi Tr¸i §Êt vμ khÝ quyÓn biÕn ®æi trong kho¶ng 100Wm-2 ë miÒn cùc tíi kho¶ng 400Wm_2 ë miÒn xÝch ®¹o. NhiÖt ®é c©n b»ng bøc x¹ ®Þa ph−¬ng cã thÓ tÝnh ®−îc theo c¸ch t−¬ng tù khi biÕt nhiÖt ®é c©n b»ng bøc x¹ toμn cÇu, sö dông ®Þnh luËt Stefan. NhiÖt ®é bøc x¹ ®Þa ph−¬ng x¸c ®Þnh b»ng c«ng thøc   4/1LB /ST  (3.12) trong ®ã SL lμ bøc x¹ mÆt trêi hÊp thô ®−îc ë ®Þa ph−¬ng. T¹i miÒn cùc, gi¸ trÞ trung b×nh n¨m cña TB tÝnh theo c«ng thøc nμy vμo kho¶ng 205K, trong khi ®ã ë xÝch ®¹o lμ 290K. Sö dông ph−¬ng tr×nh (3.7) ®Ó −íc l−îng nhiÖt ®é bÒ mÆt, gi¶ thiÕt  = 0,771, hiÖu sè nhiÖt ®é gi÷a miÒn xÝch ®¹o vμ miÒn cùc vμo kho¶ng 96K. Thùc tÕ, hiÖu sè nhiÖt ®é nμy lín h¬n nhiÒu so víi quan tr¾c. HiÖu sè nhiÖt ®é trung b×nh n¨m vμo kho¶ng 35K, ë c¸c miÒn cùc d−êng nh− lín h¬n so víi gi¸ trÞ dù b¸o ®−îc tõ c©n b»ng bøc x¹ ®Þa ph−¬ng vμ ë miÒn nhiÖt ®íi th× nhá h¬n. §−êng cong thø ba trªn H×nh 3.3(a) biÓu diÔn bøc x¹ sãng dμi ph¸t ®i theo vÜ ®é. §−êng cong nμy tr¬n h¬n so víi ®−êng cong biÓu diÔn SL, nghÜa lμ sù t−¬ng ph¶n nhiÖt ®é cña nã nhá h¬n so víi sù t−¬ng ph¶n nhiÖt ®é trong c©n b»ng bøc x¹. §−¬ng nhiªn, l−îng bøc x¹ ph¸t ®i tæng céng lÊy tÝch ph©n trªn toμn Tr¸i §Êt ph¶i c©n b»ng víi tæng l−îng bøc x¹ tíi. Tuy nhiªn, ë c¸c ®Þa ph−¬ng th× tån t¹i sù kh«ng c©n b»ng. Sù kh«ng c©n b»ng ®Þa ph−¬ng nμy biÓu thÞ c¸c chuyÓn ®éng vËn chuyÓn nhiÖt trong khÝ quyÓn vμ ®¹i d−¬ng. - 71 - H×nh 3.3 Nguån bøc x¹ cña Tr¸i §Êt lµ mét hµm cña vÜ ®é. §−êng ®øt: th«ng l−îng n¨ng l−îng bøc x¹ mÆt trêi bÊt kú; §−êng chÊm: th«ng l−îng n¨ng l−îng bøc x¹ mÆt trêi hÊp thô ®−îc; §−êng liÒn: th«ng l−îng n¨ng l−îng bøc x¹ sãng dµi ph¸t x¹. (a) trung b×nh n¨m; (b) mïa ®«ng (th¸ng 12-1-2); (c) mïa hÌ (th¸ng 6-7-8) Sù chªnh lÖch gi÷a bøc x¹ tíi vμ bøc x¹ mÊt ®i c©n b»ng bëi sù ph©n t¸n cña c¸c th«ng l−îng nhiÖt. Sù ph©n chia c¸c th«ng l−îng nhiÖt trong khÝ quyÓn vμ ®¹i d−¬ng - 72 - hiÖn ch−a râ, mÆc dï ta nhËn thÊy r»ng th«ng l−îng nμy nhá h¬n mét nöa th«ng l−îng nhiÖt ®−îc vËn chuyÓn bëi hoμn l−u ®¹i d−¬ng. H×nh 3.4 S¬ ®å minh ho¹ sù biÕn ®æi theo chiÒu cao cña th«ng l−îng bøc x¹ mÆt trêi h−íng xuèng vµ th«ng l−îng bøc x¹ hång ngo¹i h−íng lªn trong khÝ quyÓn kh«ng m©y. HiÖu sè gi÷a th«ng l−îng n¨ng l−îng bøc x¹ ®i ®Õn vµ ph¸t ®i trong líp khÝ quyÓn d−íi c©n b»ng víi sù vËn chuyÓn ®i lªn cña c¸c chuyÓn ®éng trong khÝ quyÓn. Nh×n chung, vËn chuyÓn th¼ng ®øng cña nhiÖt còng do hoμn l−u khÝ quyÓn. V× khÝ quyÓn lμ kh«ng thÊu x¹ ®èi víi bøc x¹ hång ngo¹i nªn bøc x¹ mÊt ®i vμo vò trô chñ yÕu tõ c¸c mùc thuéc phÇn trªn tÇng ®èi l−u. T¹i c¸c mùc gi÷a, cã mét sù mÊt c©n b»ng gi÷a th«ng l−îng h−íng lªn cña bøc x¹ hång ngo¹i víi th«ng l−îng h−íng xuèng cña bøc x¹ mÆt trêi. Sù mÊt c©n b»ng nμy ®−îc bï ®¾p b»ng mét dßng th«ng l−îng nhiÖt ®éng lùc h−íng lªn nhê c¸c chuyÓn ®éng trong khÝ quyÓn. H×nh 3.4 biÓu diÔn kh¸i qu¸t d−íi d¹ng s¬ ®å sù mÊt c©n b»ng cña c¸c th«ng l−îng nhiÖt th¼ng ®øng. 3.3 NhiÖt ®éng lùc cña chuyÓn ®éng chÊt khÝ Tr¹ng th¸i nhiÖt ®éng lùc cña mét phÇn tö khÝ kh« ®−îc qui ®Þnh bëi gi¸ trÞ cè ®Þnh cña hai biÕn tr¹ng th¸i nhiÖt ®éng lùc bÊt kú. §ã lμ c¸c ®¹i l−îng nh− nhiÖt ®é, khÝ ¸p, mËt ®é hoÆc entropy riªng. C¸c biÕn cßn l¹i cã thÓ tÝnh ®−îc b»ng c¸ch sö dông ph−¬ng tr×nh tr¹ng th¸i. Víi môc ®Ých nghiªn cøu ë ®©y, thuËn tiÖn h¬n c¶ lμ biÓu diÔn tr¹ng th¸i cña mét phÇn tö khÝ x¸c ®Þnh bëi nhiÖt ®é T vμ nhiÖt ®é thÕ vÞ cña nã . Entropy riªng s quan hÖ víi  b»ng biÓu thøc sau  lncs p (3.13) trong ®ã khÝ ¸p nhËn ®−îc tõ ph−¬ng tr×nh tr¹ng th¸i cña chÊt khÝ lý t−ëng (1.9) K Rp pT     (3.14) - 73 - trong ®ã pR lμ khÝ ¸p t¹i mùc bÊt kú, th−êng lÊy lμ 1000hPa ®èi víi khÝ quyÓn Tr¸i §Êt. §Ó thay ®æi tr¹ng th¸i nhiÖt ®éng lùc cña phÇn tö khÝ, mét c¸ch tæng qu¸t th× l−îng nhiÖt ph¶i ®−îc cung cÊp hay mÊt ®i. Ngo¹i trõ duy nhÊt lμ tr−êng hîp riªng cña qu¸ tr×nh ®o¹n nhiÖt. NhiÒu qu¸ tr×nh khÝ t−îng ®−îc coi lμ gÇn ®óng ®o¹n nhiÖt bëi v× qui m« thêi gian g¾n liÒn víi chuyÓn ®éng cña dßng khÝ th−êng ng¾n h¬n so víi qui m« thêi gian cña sù vËn chuyÓn nhiÖt do bøc x¹ hay khuÕch t¸n. Tuy nhiªn, trong nghiªn cøu hoμn l−u toμn cÇu, sù kh¸c biÖt so víi c¸c ®iÒu kiÖn ®o¹n nhiÖt lμ kh¸ th« trong viÖc cung cÊp n¨ng l−îng cÇn ®Ó duy tr× hoμn l−u chèng l¹i ¶nh h−ëng cña ma s¸t. NhiÖt ®−îc lÊy bëi mét ®¬n vÞ khèi l−îng kh«ng khÝ thÊu x¹ qu¸ tr×nh nhiÖt ®éng lùc tõ tr¹ng th¸i A ®Õn tr¹ng th¸i B lμ  BATdsQ (3.15) §Ó thuËn tiÖn ta biÓu diÔn qu¸ tr×nh nμy trªn ®å th× nhiÖt ®éng lùc, trong ®ã s biÓu diÔn trªn trôc hoμnh vμ T biÓu diÔn trªn trôc tung nh− trªn H×nh 3.5. NhiÖt cung cÊp cho qu¸ tr×nh nμy lμ phÇn diÖn tÝch n»m phÝa d−íi ®−êng cong biÓu diÔn c¸c tr¹ng th¸i liªn tiÕp cña phÇn tö khÝ trªn ®å thÞ nhiÖt ®éng lùc. L−u ý r»ng nÕu gi¸ trÞ entropy riªng cña tr¹ng th¸i B v−ît qu¸ tr¹ng th¸i A th× khi ®ã Q mang dÊu d−¬ng, tøc lμ nhiÖt cÇn ph¶i cung cÊp cho phÇn tö khÝ. Ng−îc l¹i, nÕu s(B) < s(A) th× nhiÖt bÞ mÊt ®i. Râ rμng tõ ®å thÞ nμy nhiÖt cung cÊp cho qu¸ tr×nh biÕn ®æi tr¹ng th¸i tõ A sang B lμ kh«ng ®ång nhÊt. Gi÷a hai tr¹ng th¸i nμy sÏ cã v« h¹n c¸c ®−êng biÕn ®æi kh¸c nhau, v× vËy diÖn tÝch t−¬ng øng víi ®−êng nμy còng sÏ kh¸c nhau. Mét c¸ch tæng qu¸t, nÕu entropy t¨ng ë nhiÖt ®é cao th× khi ®ã nhiÖt cÇn ®−îc cung cÊp thªm. Gi¶ thiÕt phÇn tö khÝ biÕn ®æi tr¹ng th¸i tõ A ®Õn B sau ®ã quay trë l¹i A. Nh− ®· minh ho¹, l−îng nhiÖt ®−îc cung cÊp trong qu¸ tr×nh biÕn ®æi tõ A ®Õn B nhiÒu h¬n lμ l−îng nhiÖt bÞ mÊt ®i trong qu¸ tr×nh ng−îc l¹i. PhÇn tö khÝ quay trë vÒ tr¹ng th¸i ban ®Çu cña nã vμ do ®ã l−îng nhiÖt thuÇn ®· cung cÊp cho nã. §iÒu g× sÏ x¶y ra víi n¨ng l−îng nhiÖt d− thõa nμy? C©u tr¶ lêi lμ phÇn n¨ng l−îng nμy sÏ ®−îc chuyÓn ho¸ sang mét d¹ng n¨ng l−îng kh¸c, th−êng lμ ®éng n¨ng cña phÇn tö khÝ chuyÓn ®éng. BÊt kú mét qu¸ tr×nh khÐp kÝn nμo lμm cho kh«ng khÝ xung quanh chuyÓn ®éng theo chiÒu kim ®ång hå trªn ®å thÞ nhiÖt ®éng lùc th× sÏ t¹o ra ®éng n¨ng. Ng−îc l¹i, chuyÓn ®éng ng−îc chiÒu kim ®ång hå sÏ bÞ hao tæn nhiÖt nhiÒu h¬n lμ ®−îc cung cÊp nhiÖt; sù mÊt c©n b»ng nμy sinh ra do sù gi¶m ®éng n¨ng cña phÇn tö khÝ. Qu¸ tr×nh nμy lμ mét vÝ dô cña qu¸ tr×nh lμm l¹nh. C¸c chu tr×nh nhiÖt ®éng lùc nh− vËy t−¬ng tù nh− trong vËt lý hay trong c¬ häc vμ cã ý nghÜa trong viÖc nghiªn cøu c¸c c¬ chÕ nhiÖt. Râ rμng chØ mét l−îng nhiÖt nhá cung cÊp cho phÇn tö khÝ cã thÓ chuyÓn ho¸ thμnh d¹ng c¬ n¨ng; tû sè gi÷a c¬ n¨ng nhËn ®−îc víi nhiÖt ®−îc cung cÊp gäi lμ hiÖu øng nhiÖt ®éng lùc cña c¬ chÕ nhiÖt   B A Tds. Tds e (3.16) - 74 - HiÖu øng nhiÖt ®éng lùc cña c¬ chÕ nhiÖt thùc hiÖn gi÷a tr¹ng th¸i A vμ tr¹ng th¸i B ®¹t cùc ®¹i khi entropy t¨ng ë nhiÖt ®é TB kh«ng ®æi vμ sÏ gi¶m víi nhiÖt ®é TA kh«ng ®æi, chu tr×nh nμy ®−îc khÐp kÝn b»ng qu¸ tr×nh ®o¹n nhiÖt. §−êng biÓu diÔn trªn ®å thÞ nhiÖt ®éng lùc khi ®ã lμ mét h×nh ch÷ nhËt. Chu tr×nh lý t−ëng nμy ®−îc gäi lμ chu tr×nh Carnot vμ ®−îc minh ho¹ trªn H×nh 3.6. C¬ chÕ nhiÖt thùc tÕ lu«n cã hiÖu øng nhá h¬n so víi c¬ chÕ Carnot lý t−ëng vμ chuyÓn ®éng cña khÝ quyÓn l¹i cã hiÖu øng nhá h¬n rÊt nhiÒu. H×nh 3.5 §å thÞ nhiÖt ®éng lùc víi trôc hoµnh s = cpln(), trôc tung T cña mét phÇn tö khÝ biÕn ®æi tr¹ng th¸i tõ A ®Õn B. Trong môc tr−íc, gi¶ thiÕt chuyÓn ®éng trong tÇng ®èi l−u sÏ vËn chuyÓn nhiÖt ®i lªn vμ h−íng cùc. M« h×nh ®¬n gi¶n nhÊt cña chuyÓn ®éng vËn chuyÓn nhiÖt nμy bao gåm chuyÓn ®éng th¨ng ë miÒn nhiÖt ®íi, chuyÓn ®éng h−íng cùc ë c¸c mùc trªn cao, chuyÓn ®éng gi¸ng t¹i miÒn vÜ ®é cao vμ chuyÓn ®éng vÒ xÝch ®¹o ë c¸c mùc thÊp. MÆt c¾t th¼ng ®øng cña cÊu tróc nhiÖt trung b×nh vÜ h−íng quan tr¾c ®−îc ®−îc biÓu diÔn trong môc 4.1. Nghiªn cøu hoμn l−u lý t−ëng nμy ë ®©y b»ng c¸ch biÓu diÔn c¸c tr¹ng th¸i nhiÖt ®éng lùc liªn tiÕp cña mét phÇn tö khÝ trªn gi¶n ®å nhiÖt ®éng lùc. KÕt qu¶ lμ mét nh¸nh nhá trªn ®å thÞ nhiÖt ®éng lùc cho thÊy chuyÓn ®éng nh− vËy sÏ h×nh thμnh ®éng n¨ng, do ®ã chóng cã thÓ ®−îc duy tr× chèng l¹i ma s¸t b»ng c¸ch chuyÓn ho¸ liªn tôc nhiÖt n¨ng thμnh c¬ n¨ng. C¸c hoμn l−u chuyÓn ®éng cïng chiÒu kim ®ång hå trªn ®å thÞ nhiÖt ®éng lùc bao gåm dßng th¨ng cña kh«ng khÝ nãng vμ dßng gi¸ng cña kh«ng khÝ l¹nh; chóng ®−îc gäi lμ hoμn l−u nhiÖt trùc tiÕp. C¸c hoμn l−u cã h−íng ng−îc l¹i bÞ c−ìng bøc vÒ c¬ n¨ng vμ do ®ã ®−îc gäi lμ hoμn l−u nhiÖt gi¸n tiÕp. §éng n¨ng h×nh thμnh tõ mçi chu vi cña phÇn tö khÝ trªn mét ®¬n vÞ khèi l−îng lμ  TdsK (3.17) NÕu c lμ thêi gian cÇn thiÕt ®Ó phÇn tö khÝ thùc hiÖn mét hoμn l−u khÐp kÝn trªn mÆt kinh tuyÕn th× khi ®ã tèc ®é h×nh thμnh ®éng n¨ng trªn mét ®¬n vÞ khèi l−îng sÏ lμ  Tds1dtdK c (3.18) T B A - 75 - H×nh 3.6 Chu tr×nh Carnot thùc hiÖn gi÷a tr¹ng th¸i A vµ tr¹ng th¸i B. §éng n¨ng trªn mét ®¬n vÞ khèi l−îng tû lÖ víi tèc ®é giã ®Æc tr−ng U b»ng K = U2/2. Sù h×nh thμnh ®éng n¨ng ph¶i c©n b»ng víi sù tiªu t¸n ma s¸t trong mét kho¶ng thêi gian dμi. Sö dông ma s¸t Rayleigh tr×nh bμy trong môc 2.4 nh− lμ mét c¸ch biÓu diÔn c¸c qu¸ tr×nh ma s¸t phøc t¹p, tèc ®é suy gi¶m ®éng n¨ng do ma s¸t lμ D K2 dt dK  (3.19) D lμ qui m« thêi gian ma s¸t víi gi¸ trÞ ®Æc tr−ng vμo kho¶ng 5 ngμy trong tÇng ®èi l−u. C©n b»ng gi÷a sù h×nh thμnh vμ suy gi¶m ®éng n¨ng lÊy trung b×nh trong mét kho¶ng thêi gian dμi lμ 2/1 C D D 2 c TdsUhayUTds1        (3.20) Khi biÕt D vμ C ta cã thÓ x¸c ®Þnh ®−îc U. Quan tr¾c giã kinh h−íng trung b×nh cho thÊy C vμo kho¶ng 140 ngμy víi U ~ 20ms-1. Giã trung b×nh toμn cÇu cã gi¸ trÞ kho¶ng 14ms-1, kh¸ phï hîp víi gi¸ trÞ −íc l−îng nμy. Tuy nhiªn, ®Ó dù b¸o U cÇn xem xÐt c¶ b¶n chÊt ®éng lùc lÉn nhiÖt lùc cña nã. 3.4 KÕt qu¶ quan tr¾c ®èt nãng khÝ quyÓn Trong môc nμy sÏ ®Ò cËp tíi sù ph©n bè ®èt nãng vμ lμm l¹nh trong khÝ quyÓn, sù ®èt nãng vμ lμm l¹nh nμy ®iÒu khiÓn hoμn l−u khÝ quyÓn. Chóng ta cÇn ph©n biÖt sù biÕn ®æi ®o¹n nhiÖt cña nhiÖt ®é sinh ra do chuyÓn ®éng th¼ng ®øng khi kh«ng cã nhiÖt thªm vμo hay mÊt ®i khái phÇn tö khÝ vμ sù biÕn ®æi nhiÖt ®é khi cã nhiÖt thªm vμo hay mÊt ®i tõ phÇn tö khÝ. Qu¸ tr×nh sau ®−îc gäi lμ qu¸ tr×nh ®èt nãng phi ®o¹n nhiÖt hay ®¬n gi¶n lμ ®èt nãng. Sù biÕn ®æi nhiÖt ®é ®o¹n nhiÖt x¶y ra khi kh«ng cã sù trao ®æi nhiÖt. MÆt kh¸c, nguån nhiÖt cung cÊp vμo hay mÊt ®i b¾t nguån tõ hoμn l−u toμn cÇu. Sù ®èt nãng sinh ra tõ rÊt nhiÒu qu¸ tr×nh nh− vËy. HÊp thô bøc x¹ sãng - 76 - ng¾n lμ mét nguån ®èt nãng, cßn ph¸t x¹ bøc x¹ sãng dμi lμ mét nguån lμm l¹nh. Tuy nhiªn, sù biÕn ®æi nhiÖt gi÷a c¸c thμnh phÇn kh¸c nhau cña hÖ thèng khÝ hËu bao gåm c¶ Tr¸i §Êt, ®¹i d−¬ng, b¨ng tuyÕt (b¨ng quyÓn) vμ khÝ quyÓn lμ rÊt quan träng trong viÖc ®iÒu khiÓn hoμn l−u toμn cÇu. Mét sè c¬ chÕ quan träng bao gåm: (i) Trao ®æi nhiÖt víi c¸c líp d−íi cña bÒ mÆt, cã thÓ lμ bÒ mÆt ®Êt hay bÒ mÆt ®¹i d−¬ng. Tia bøc x¹ mÆt trêi ®i ®Õn trùc tiÕp ®¹t tíi bÒ mÆt vμ ®èt nãng nã. Sù ®èt nãng nμy ng−îc trë l¹i dïng ®Ó ®èt nãng khÝ quyÓn do sù vËn chuyÓn rèi trong líp biªn khÝ quyÓn. MÆt ®Êt cã nhiÖt dung kh¸ nhá do ®ã tia mÆt trêi ®¹t tíi bÒ mÆt Tr¸i §Êt bÞ ph¶n x¹ vμo khÝ quyÓn kh¸ nhanh. MÆt kh¸c, ®¹i d−¬ng cã nhiÖt dung lín h¬n nhiÒu v× vËy nã ®ãng vai trß gi÷ nhiÖt quan träng trong hÖ thèng khÝ hËu. Gi¶ thiÕt sù ®ãng gãp vμo hÖ thèng khÝ hËu cña c¸c qu¸ tr×nh cã qui m« thêi gian lín h¬n 1 th¸ng lμ do nhiÖt ®−îc tÝch luü trong ®¹i d−¬ng. (ii) PhÇn lín n¨ng l−îng mÆt trêi tíi bÒ mÆt Tr¸i §Êt cung cÊp cho bèc h¬i n−íc nhiÒu h¬n lμ lμm t¨ng nhiÖt ®é mÆt ®Êt. V× l−îng Èn nhiÖt rÊt lín cña qu¸ tr×nh bèc h¬i n−íc vμ hÇu hÕt bÒ mÆt Tr¸i §Êt lμ Èm −ít, l−îng nhiÖt rÊt lín nμy cã thÓ bÞ mÊt ®i theo c¸ch nμy. §o ®¹c cho thÊy kho¶ng 90% l−îng bøc x¹ ®Õn bÒ mÆt Tr¸i §Êt dïng ®Ó bèc h¬i n−íc. ë nh÷ng khu vùc kh« h¹n, qu¸ tr×nh bèc h¬i chiÕm tíi 10% l−îng bøc x¹ bÞ hÊp thô. (iii) H¬i n−íc trong khÝ quyÓn ®ãng vai trß nh− mét ph−¬ng thøc l−u tr÷ nhiÖt, l−îng nhiÖt nμy cã thÓ ®−îc gi¶i phãng khi ng−ng kÕt. V× kh«ng khÝ cã thÓ lan truyÒn nªn nã cã thÓ bÞ nãng lªn hay l¹nh ®i. Qu¸ tr×nh ng−ng kÕt nμy gi¶i phãng mét l−îng Èn nhiÖt rÊt lín. Trong khÝ quyÓn miÒn nhiÖt ®íi, sù ®èt nãng nμy chñ yÕu sinh ra bëi sù gi¶i phãng Èn nhiÖt trong c¸c ®¸m m©y g©y m−a. (iv) PhÇn lín sù lμm l¹nh träng khÝ quyÓn lμ do ph¸t x¹ sãng dμi, tuy nhiªn mét sè khu vùc l¹i do t−¬ng t¸c víi bÒ mÆt l¹nh h¬n ë phÝa d−íi. Ph¸t x¹ bøc x¹ sãng dμi vμo khÝ quyÓn biÕn ®æi rÊt m¹nh vμ chÞu ¶nh h−ëng cña ®é Èm kh«ng khÝ vμ sù tån t¹i cña m©y. §o ®¹c tÊt c¶ c¸c qu¸ tr×nh kh¸c nhau lμ mét viÖc v« cïng khã kh¨n, vμ ®−¬ng nhiªn kh«ng thÓ thùc hiÖn ®−îc ®èi víi mét thÓ tÝch kh«ng khÝ h÷u h¹n. Qu¸ tr×nh tham sè ho¸ trong c¸c m« h×nh dù b¸o sè trÞ phøc t¹p cho phÐp ®¸nh gi¸ sù ®èt nãng nμy trong c¸c sè h¹ng cña tr−êng nhiÖt, tr−êng giã, tr−êng Èm, ... cña m« h×nh. Tuy nhiªn, nh− ®· chØ ra trong ch−¬ng tr−íc, qu¸ tr×nh tham sè ho¸ nμy cã ®é tin cËy rÊt kem so víi nh÷ng mong muèn cña chóng ta vμ ®«i khi gÆp ph¶i nh÷ng sai sè ®¸ng kÓ. Cã thÓ kÕt luËn r»ng sù t¸c ®éng vÒ nhiÖt ®èi víi hoμn l−u toμn cÇu kh«ng thÓ quan tr¾c ®−îc vμ còng kh«ng thÓ tÝnh ®−îc mét c¸ch chÝnh x¸c. Ta chØ cã thÓ −íc l−îng qu¸ tr×nh ®èt nãng tõ tr−êng nhiÖt vμ tr−êng giã qui m« lín vμ sù biÕn ®æi cña chóng trong mét thêi gian dμi. Nh− ®· biÕt, c¸c tr−êng nμy cã thÓ ®−îc kiÓm tra mét c¸ch chÝnh x¸c b»ng m¹ng l−íi quan tr¾c nghiÖp vô. LÊy trung b×nh theo thêi gian ph−¬ng tr×nh nhiÖt ®éng lùc (1.12) ta ®−îc     pv.p.v (3.21) - 77 - trong ®ã  biÓu thÞ sù biÕn ®æi cña  trong kho¶ng thêi gian trung b×nh . Khi  kh¸ lín th× sè h¹ng nμy sÏ nhá, ®Æc biÖt trong thêi kú mïa ®«ng vμ mïa hÌ. C¸c sè h¹ng thø hai vμ thø ba t−¬ng øng biÓu diÔn b×nh l−u ngang vμ b×nh l−u th¼ng ®øng cña nhiÖt ®é thÕ vÞ do chuyÓn ®éng trung b×nh theo thêi gian. Sè h¹ng thø t− vμ thø n¨m biÓu diÔn ph©n kú th«ng l−îng rèi cña . TÊt c¶ c¸c sè h¹ng nμy ph¶i c©n b»ng víi l−îng nhiÖt ®èt nãng. Tõ ph−¬ng tr×nh (3.21) cã thÓ viÕt l¹i vÒ d¹ng biÓu thøc chÈn ®o¸n ®èi víi Q . TÝnh Q theo c¸ch nμy cÇn ph¶i bá qua c¸c sè h¹ng vËn chuyÓn kh¸c nhau víi bËc ®¹i l−îng t−¬ng ®−¬ng nh−ng cã dÊu biÕn ®æi. C¸ch tÝnh nμy cña Q ®−îc gäi lμ ph−¬ng ph¸p phÇn d−. L−u ý r»ng kh«ng thÓ ph©n biÖt gi÷a c¸c qu¸ tr×nh vËt lý kh¸c nhau g©y ra ®èt nãng mμ chØ x¸c ®Þnh ®−îc l−îng ®èt nãng thuÇn. Nã phô thuéc vμo møc ®é ®¸nh gi¸ chÝnh x¸c tr−êng vËn tèc th¼ng ®øng. ViÖc nμy kh«ng ®¸