Bài giảng Thời tiết khí hậu: Chương 7- Các quá trình giáng thủy

243 Ch€ơng 7 Các quá trình giáng thủy Chúng ta th‡ờng nghĩ về m‡a lớn v các tác động môi tr‡ờng của nó nh‡ những sự kiện ngắn ngủi, thoáng qua. Một trận m‡a bất ngờ có thể gây lụt lội trong vi phút, nh‡ng sự nguy hiểm th‡ờng kéo di trong hng giờ hoặc đại loại nh‡ vậy. Tuy nhiên, đôi khi các điều kiện môi tr‡ờng tồn tại từ tr‡ớc có thể lm cho một trận m‡a có một ảnh h‡ởng nghiêm trọng hơn nhiều so với thông th‡ờng. Trận lụt lớn ở miền Trung Tây n‡ớc Mỹ năm 1993 l một ví dụ điển hình. Những điều kiện gây lụt lớn đã bắt đầu từ mùa thu năm 1992, khi ấy những trận m‡a dai dẳng đã lm bão hòa đất trên khắp miền Trung Bắc n‡ớc Mỹ. Mùa thu nhiều m‡a lại đ‡ợc nối tiếp bằng một mùa đông tích tụ đầy tuyết. Tổ hợp của khối tuyết dy đặc bên trên đất đã bão hòa luôn l biểu hiện của nguy cơ lụt úng đối với mùa tuyết tan, song năm 1993 đã thực sự tỏ ra tồi tệ hơn bất kỳ ai có thể hình dung, bởi vì mùa tuyết tan lại đ‡ợc nối tiếp ngay bằng những trận m‡a lớn bất th‡ờng trong tháng 6 v tháng 7. C‡ờng độ lũ lụt lớn ch‡a từng thấy. Tại Saint Louis, Missouri, sông Mississippi đạt mực n‡ớc 6 m bên trên mức lũ. Một con sông, bình th‡ờng rộng khoảng 800 m ở gần Saint Joseph, Missouri, đã lan rộng ra đến 10 km, lm cho gần nửa quận Saint Charles ngập trong n‡ớc (hình 7.1). Tại thnh phố Kansas, Missouri, sông Missouri nâng lên cao 6,7 m so với bờ. Khắp miền Trung Tây, hng chục nghìn ngôi nh bị h‡ hại hoặc phá huỷ do lũ lụt, vì ton bộ các vùng xung quanh v 77 thnh phố nhỏ chìm trong n‡ớc. Lũ lụt thậm chí còn chia sẻ phần cay đắng mỉa mai của mình: Des Moines, Iowa bị thiếu n‡ớc uống trong 12 ngy vì n‡ớc lũ ô nhiễm. C‡ dân Jacki Meek, 40 tuổi, ở ngoại ô Saint Louis, đại diện cho 85 000 ng‡ời phải sơ tán khỏi nh của mình đã nói “Tôi cảm thấy mình bây giờ gi tới 65 tuổi, tôi thấy nh của mình trên ch‡ơng trình thời sự, v tôi chỉ biết kêu khóc”. M‡a v các hiện t‡ợng giáng thủy khác l một thực tế cuộc sống đối với tất cả mọi ng‡ời, mặc dù bình th‡ờng thì hậu quả của nó còn xa mới bằng lũ lụt năm 1993. Thực tế, việc tìm kiếm đáp án cho câu hỏi cái gì lm nên giáng thủy có thể đã l một trong những lý do để bạn lật trang quyển sách ny. Trong ch‡ơng 6, chúng ta đã biết về những quá trình dẫn đến hình thnh các loại mây cho giáng thủy v không cho giáng thủy. Trong ch‡ơng ny, chúng ta giải thích các quá trình m nhờ đó các giọt mây v các tinh thể băng ch‡a gây m‡a lớn lên đủ để rơi xuống thnh giáng thủy. Hình 7.1. Lũ lụt trên các sông Mississippi v† Moussouri. ảnh bên trên cho thấy vị trí bờ của hai sông n†y ở tình huống bình th~ờng. Lũ lụt cực hạn v~ợt bờ đã l†m ngập những vùng rộng lớn của một số bang ở phần Trung Tây trong mùa hè năm 1993 (ảnh d~ới) Sự lớn lên của các giọt mây Khi hoạt động riêng lẻ, trọng lực sẽ lm tăng tốc độ các vật rơi xuống phía bề mặt. Nh‡ng trọng lực không phải l lực duy nhất tác động lên một vật đang rơi; trong cùng thời gian, không khí tác động một lực cản, hay kháng lực. Khi tốc độ tăng lên, lực cản cũng tăng, cho đến khi lực cản cân bằng với trọng lực v gia tốc bị triệt tiêu. Vật vẫn rơi, nh‡ng với một tốc độ không đổi, vận tốc dừng. Nếu không có gì đặc biệt, tốc độ dừng phụ thuộc vo kích th‡ớc, các vật nhỏ rơi chậm hơn nhiều so với vật lớn. (Chúng ta sẽ xem xét tỉ mỉ mối liên quan giữa kích th‡ớc v tốc độ dừng trong chuyên mục 7.1: Những nguyên lý Vật lý: Vì sao các hạt mây không rơi). 245 Nh‡ chúng ta đã nhắc đến, các giọt mây rơi chậm do chúng rất nhỏ. Các giọt mây có kích nhỏ l vì trong thực tế có rất nhiều các nhân ng‡ng kết; do đó, n‡ớc trong mây phân bố cho rất nhiều hạt nhỏ chứ không tập trung vo một số ít những hạt lớn hơn. Với kích th‡ớc nhỏ, các giọt mây lúc đầu có tốc độ dừng cực chậm, chúng không thể đạt tới bề mặt. Hiệu ứng ny thể hiện rõ trên hình 7.2, hình ny biểu diễn các tốc độ dừng của các hợp phần mây khác nhau. Những hạt mây nhỏ nhất l các nhân ng‡ng kết, trên đó các giọt n‡ớc lỏng hình thnh (để đơn giản, hình ny chỉ áp dụng đối với mây gồm n‡ớc lỏng, không có các tinh thể băng). Các nhân ng‡ng kết nhỏ đến nỗi chúng rơi xuống với một tốc độ chậm không nhận ra đ‡ợc. Những giọt mây lớn hơn (nh‡ng không rơi xuống thnh m‡a) điển hình có bán kính từ 10 đến 50 mμ (hãy nhớ lại, 1 mμ bằng một phần triệu mét). Các hạt mây ny có tốc độ rơi từ khoảng 1 đến 25 cm/s. Một cách t‡ơng phản, những hạt m‡a lớn hơn nhiều, đ‡ợc thể hiện trên hình, rơi với tốc độ 650 cm/s, nhanh gấp 25 lần. Hình 7.2. Các đặc tr~ng trung bình của các hợp phần mây Những giọt m‡a rơi xuống bề mặt khi chúng trở thnh đủ lớn sao cho trọng lực v‡ợt qua đ‡ợc hiệu ứng của các dòng thăng. Thế no gọi l đủ lớn? Nếu xét theo bán kính, những giọt m‡a lớn hơn các giọt mây điển hình khoảng 100 lần. Với kích th‡ớc đó, phần lớn các phân tử n‡ớc nằm ở phần bên trong của giọt mây, chỉ một số t‡ơng đối ít các phân tử ở mép ngoi tiếp xúc với khí quyển. Vì chỉ có một tỉ phần nhỏ hơn bị lực cản, vận tốc dừng sẽ đủ lớn để giọt mây rơi thnh m‡a. Chúng ta cần l‡u ý rằng, nếu xét theo thể tích hay khối l‡ợng n‡ớc, các giọt m‡a lớn hơn so với các giọt mây một triệu lần chứ không phải chỉ một trăm lần. Đó l vì thể tích hình cầu tỷ lệ với lập ph‡ơng của bán kính. Nếu bán kính lớn hơn 100 lần, thì thể tích lớn hơn l 100100100 ìì (1 triệu) lần. Các giọt m‡a không hon ton l hình cầu, nh‡ng nguyên tắc ny vẫn đúng: các phần tử giáng thủy th‡ờng lớn hơn nhiều lần so với những giọt mây. ít ra l d‡ới giác độ một giọt mây, mặc dù chúng ta không cho rằng mây l những vật rơi lớn, nh‡ng thực sự l nh‡ vậy. Trong các mục tiếp theo của ch‡ơng ny, chúng ta sẽ tổng quan những quá trình tạo thnh những vật rơi “khổng lồ” đó. 7-1 Những nguyên lý vật lý: Tại sao các hạt mây không rơi? Bạn có lẽ đã quen thuộc với truyền thuyết - thí nghiệm của Galileo Galilei cuối thế kỷ 16, cho hai vật rơi, một nhẹ v một nặng, từ trên tháp nghiêng Pisa. Cả hai vật chịu cùng một gia tốc trọng tr‡ờng, chạm tới mặt đất gần nh‡ cùng một thời gian. Biểu diễn của Galileo có vẻ không phù hợp trải nghiệm hng ngy của chúng ta, vì một con kiến rơi từ nóc tòa nh cao tầng xuống đất chắc phải lâu hơn một quả cầu. Nó cũng không giống với nhận định của chúng ta rằng những giọt mây nhỏ thì rơi chậm. Lời giải phải l: có lực khác tác động lên các vật đang rơi ngoi trọng lực, thật vậy, có lực cản của gió, hay trở kháng. Bằng cách xem xét hai lực ny cùng tác động nh‡ thế no, ta sẽ hiểu thêm vì sao các hạt mây không rơi. Để dễ bn luận, ta giả thiết các hạt có hình cầu – khi dùng các hình dạng thực tế hơn thì cũng sẽ không lm thay đổi những kết luận của chúng ta. Định luật thứ hai của Newton nói rằng: nếu một lực ròng tác động lên một khối l‡ợng, khối l‡ợng đó sẽ có một gia tốc (hay thay đổi vận tốc theo thời gian). Đối với một khối l‡ợng đang xét, gia tốc tỷ lệ thuận với lực. D‡ới dạng ph‡ơng trình, định luật ny viết thnh: tốcgiaợnglkhốirònglực ì= ‡ . Hãy l‡u ý, định luật thứ hai của Newton nói rằng ta xét lực ròng tức l kết quả của tất cả các lực tác động lên vật. Khi xét giọt n‡ớc đang rơi, nó có trọng lực h‡ớng xuống d‡ới, bị chống lại bởi lực cản của gió (trở kháng). Một giọt n‡ớc vừa mới sinh ra trong khí quyển rơi với tốc độ tăng dần, nh‡ng không tăng vô tận. Dần dần lực cản )( dF cân bằng với trọng lực )( gF , kết quả l không còn lực ròng: 0=−= dg FFrònglực . Không có lực ròng thì không có gia tốc v giọt n‡ớc rơi với vận tốc tốc rơi dừng của nó. Giọt n‡ớc rơi nhanh nh‡ thế no? Để trả lời câu hỏi ny, ta cần biết một chút về độ lớn của hai lực. Trọng lực Trọng lực tỷ lệ thuận với khối l‡ợng. Khi ta b‡ớc lên chiếc cân, chính l ta đo lực ny. Đối với một giọt mây không chứa gì khác ngoi các phân tử n‡ớc, khối l‡ợng chính l mật độ nhân với thể tích. Vậy ta có gF bằng 3 3 4 rFg πρ= , ở đây ρ l mật độ của n‡ớc v r l bán kính giọt. Lực cản Trở kháng giữa giọt v không khí xung quanh phụ thuộc vo tốc độ rơi v kích th‡ớc của giọt. Giống nh‡ một ô tô đang chạy trên đ‡ờng cao tốc, một giọt n‡ớc chịu lực cản mạnh hơn khi nó chuyển động trong không khí. Thực tế, một cách gần đúng, lực cản tăng theo bình ph‡ơng của tốc độ gió )( 2v . Vậy kích th‡ớc ảnh h‡ởng tới lực cản nh‡ thế no? Đối với một hình cầu, ảnh h‡ởng của kích th‡ớc giọt n‡ớc chủ yếu l do diện tích của bề mặt. Khi diện tích bề mặt tăng, lực cản tăng theo một cách tỉ lệ thuận. Nếu nhớ lại l, diện tích bề mặt hình cầu 247 cầu bằng 24 rπ , ta có thể kết hợp các ảnh h‡ởng của tốc độ v của diện tích bề mặt thnh 22 4 rkFd πυ= , trong đó k l một hằng số. Giá trị của k không quan trọng ở đây; vấn đề l dF tỉ lệ với bình ph‡ơng tốc độ rơi )( 2v v bán kính )( 2r . Vận tốc dừng Đối với một giọt n‡ớc rơi với vận tốc dừng, ta đã nói rằng trọng lực v lực cản bằng nhau. Nếu dùng tv l vận tốc dừng, ta có )()( dg t FF rkvr 223 4 3 4 ππρ = Để xác định vận tốc dừng, ta sắp xếp v giải ra đối với tv : rk rrk rkrvt á ạ ãă â Đ á ạ ãă â Đ = = = / // / ρ ρ ππρ 3 1 4 3 4 4 3 4 23 232 hay rcvt = , ở đây kc /ρ 3 1 = l một hằng số. Nhờ công thức ny, ta nhận đ‡ợc một kết quả quan trọng: khi bán kính giọt tăng, thì vận tốc dừng tăng. Một cách t‡ơng đ‡ơng, các giọt lớn rơi nhanh hơn các hạt nhỏ. ý nghĩa vật lý ở đây l: cả trọng lực lẫn lực cản đều tăng theo bán kính, nh‡ng trọng lực tăng nhanh hơn so với lực cản v vì vậy đòi hỏi một tốc độ rơi cao hơn để bù cho gF . Chú ý rằng, đối với giọt n‡ớc, rơi với tốc độ tv trong khí quyển đứng yên thì cũng hon ton giống nh‡ nó đứng yên trong không khí nâng lên với tốc độ tv . Nh‡ vậy, công thức ny nói rằng cần một dòng thăng mạnh để giữ một giọt n‡ớc lớn ở trên cao, còn một giọt n‡ớc nhỏ thì dễ lơ lửng. Trở lại với tr‡ờng hợp tháp nghiêng Pisa đã mô tả ở trên, bây giờ ta có thể hiểu vì sao các vật của Galileo đã rơi gần nh‡ với cùng một tốc độ. Đối với những vật lớn nh‡ thế, trọng lực lớn hơn lực cản rất nhiều trong suốt quãng đ‡ờng rơi ngắn ngủi. Nếu bỏ qua lực cản, trọng lực lm tăng tốc độ của cả hai vật gần nh‡ với cùng một mức độ. Nếu nh‡ Galilei dùng các vật với kích th‡ớc rất khác nhau, hoặc nếu nh‡ các vật rơi đủ xa để đạt tới vận tốc dừng, thì chênh lệch về tốc độ có thể xuất hiện. Chuyện về sức cản của gió cũng hon ton nh‡ vậy, v những cuốn sách giống nh‡ sách ny sẽ không cần bn về chủ đề ny nữa. Lớn lên do ng~ng kết Khi các giọt mây bắt đầu hình thnh do sự lạnh đi đoạn nhiệt của không khí thăng, chính l chúng hình thnh ở trên các nhân ng‡ng kết. Nh‡ng trong phạm vi một vi chục mét bên trên mực ng‡ng kết thăng, tất cả những nhân ng‡ng kết hiện có đã hút lấy n‡ớc, còn sự ng‡ng kết tiếp theo no đó chỉ có thể diễn ra trên các giọt đang tồn tại ấy. Sự ng‡ng kết có thể lm cho các giọt n‡ớc rất nhỏ lớn lên nhanh, nh‡ng chỉ đến khi chúng đạt tới những bán kính đến khoảng 20 μm, bán kính đó vẫn còn l rất nhỏ so với kích th‡ớc cần thiết để rơi xuống thnh m‡a. Sau thời điểm ny, sự tăng tr‡ởng tiếp theo do ng‡ng kết l nhỏ nhất. Để hiểu tại sao, hãy nhớ lại rằng hơi n‡ớc trong không khí chỉ còn t‡ơng đối ít để ng‡ng kết. Với nhiều giọt nh‡ thế tranh nhau một l‡ợng n‡ớc hạn chế thì không giọt no có thể lớn lên rất nhanh đ‡ợc. Rõ rng l nếu nh‡ tăng tr‡ởng do ng‡ng kết l quá trình tác động duy nhất, thì chúng ta sẽ thấy rất ít m‡a, nếu nh‡ có, trên Trái Đất ny. Vì vậy, chúng ta cần biết rằng quá trình ng‡ng kết chỉ l điểm xuất phát của m‡a v tuyết, không phải l ton bộ nguyên nhân. Có hai quá trình khác có trách nhiệm lm cho giọt mây lớn lên tiếp, tầm quan trọng t‡ơng đối của hai quá trình đó tùy thuộc vo các đặc tr‡ng nhiệt độ của mây. Lớn lên trong mây ấm Phần lớn mây cho m‡a ở các vùng nhiệt đới v nhiều mây ở các vĩ độ trung bình l những đám mây ấm, luôn có nhiệt độ lớn hơn 0oC. Trong mây ấm, quá trình va chạm - liên kết gây nên giáng thủy, quá trình ny phụ thuộc vo tốc độ rơi khác nhau của các giọt với kích th‡ớc khác nhau. Các giọt mây có các kích th‡ớc khác nhau, v do đó, có các vận tốc dừng khác nhau. Hãy nhìn hình 7.3 xem điều gì sẽ xảy ra khi giọt lớn nhất (gọi l giọt thu loợm) rơi trong một đám mây ấm. Khi giọt thu l‡ợm rơi xuống, nó v‡ợt qua một số giọt nhỏ hơn trên đ‡ờng đi của mình, bởi vì vận tốc dừng của nó lớn hơn. Điều đó mang lại cơ hội cho sự va chạm v liên kết. Sự va chạm. Khi rơi, một giọt thu l‡ợm va chạm chỉ với một số giọt trên đ‡ờng của nó. Xác suất va chạm phụ thuộc vo cả kích th‡ớc tuyệt đối lẫn kích th‡ớc t‡ơng đối của giọt thu l‡ợm so với những giọt n‡ớc phía d‡ới. Nếu giọt thu l‡ợm lớn hơn nhiều so với các giọt n‡ớc ở phía d‡ới, tỉ lệ những lần va chạm (hiệu suất va chạm) sẽ thấp. Hình 7.4 cho thấy vì sao. Khi giọt thu l‡ợm rơi, nó nén không khí trên đ‡ờng đi của mình. Không khí bị nén sẽ tạo ra một xung gió giật Hình 7.3. Vì hạt thu l~ợm có khối l~ợng lớn hơn, nó có tốc độ dừng lớn hơn (biểu diễn bằng độ d†i của mũi tên h~ớng xuống d~ới) so với các giọt nhỏ trên đ~ờng rơi của mình. Hạt thu l~ợm sẽ v~ợt qua v† va chạm với các hạt nhỏ hơn yếu đẩy các giọt nhỏ dạt ra khỏi đ‡ờng đi. Tuy nhiên, gió giật yếu không thể đẩy các giọt lớn hơn ra ngoi v giọt thu l‡ợm có thể va chạm với chúng. Kết quả l, hiệu suất va chạm sẽ lớn hơn đối với những giọt có kích th‡ớc không nhỏ hơn quá nhiều so với giọt thu l‡ợm. Bạn có thể đã chứng kiến một hiện t‡ợng t‡ơng tự ở một quy mô lớn hơn khi lái xe trên đ‡ờng nông thôn vo mùa hè, kính chắn gió phía tr‡ớc dồn những con côn trùng lớn đang bay bị kẹt lại thnh một đống nhỏ ở mép kính. Rất khó khăn để dạt ra bên cạnh bằng không khí bị nén ở ngay phía tr‡ớc kính chắn gió, chúng bay tiếp theo đ‡ờng của chúng cho đến khi thời điểm hiểm nghèo xuất hiện. Trái lại, những con bọ nhỏ hơn thì bị thổi tung ra khỏi con đ‡ờng tai họa. 249 Hiệu suất va chạm cũng thấp đối với các giọt gần nh‡ bằng nhau về kích th‡ớc so với giọt thu l‡ợm, vì vận tốc dừng của chúng gần bằng với vận tốc của giọt thu l‡ợm, khi đó giọt thu l‡ợm khó có thể đuổi kịp v va chạm với chúng. Lại t‡ơng tự với tình huống ô tô, những vụ đụng độ giữa các xe ít khả năng xảy ra chừng no tất cả các xe chạy với cùng tốc độ v cùng h‡ớng. Trong những tình huống nhất định, hiệu suất va chạm có thể thực sự v‡ợt quá 100%, v giọt thu l‡ợm có thể va chạm với nhiều giọt hơn số l‡ợng giọt trên đ‡ờng đi của nó. Một giọt đang rơi tạo nên những cuộn xoáy rối có thể thu hút những giọt nhỏ ở bên ngoi đ‡ờng đi v mang chúng trở lại phía đỉnh của giọt thu l‡ợm, ở đó sẽ xảy ra va chạm. Nghiên cứu gần đây sử dụng các mô hình toán cho biết rằng chuyển động rối d‡ới dạng những cuộn xoáy lm tăng hiệu suất va chạm lên rất nhiều. Các xoáy rối có tác dụng nh‡ những máy ly tâm nhỏ chia tách các giọt theo kích th‡ớc khi chúng quay xung quanh tâm. Biến thiên kết quả về nồng độ sẽ lm tăng đáng kể suất va chạm trung bình. Ngoi ra, sự quay nhanh lm cho các dòng giọt n‡ớc tách khỏi không khí giống nh‡ một con thoi văng ra khỏi dây nối. Những giọt bị tách ra có xác suất va chạm cao với các giọt khác, cho nên quá trình ny cũng lm tăng hiệu suất va chạm. Tính toán cho thấy rằng, để cho ly tâm v hiệu ứng dây nối có thể xuất hiện thì chỉ cần chuyển động cuộn xoáy cỡ nhẹ, có nghĩa l các quá trình ny tác động trong phần lớn các đám mây. Sự liên kết. Khi một giọt thu l‡ợm v các giọt nhỏ hơn va chạm, chúng có thể hoặc kết hợp lại để hình thnh một giọt duy nhất lớn hơn hoặc văng ra thnh nhiều mảnh. Đa số các giọt n‡ớc va chạm th‡ờng dính vo nhau. Quá trình ny đ‡ợc gọi l liên kết, v tỷ lệ phần trăm các giọt n‡ớc va chạm liên kết lại với nhau đ‡ợc gọi l hiệu suất liên kết. Vì đa số các va chạm dẫn tới kết cục liên kết, nên hiệu suất liên kết th‡ờng đ‡ợc chấp nhận bằng gần 100 %. Nói cách khác, chúng ta hon Hình 7.4. Khi một giọt thu l~ợm rơi (a), nó nén không khí ở phía d~ới nó (b). Điều n†y tạo ra một građien áp suất v† đẩy những giọt rất nhỏ ra khỏi đ~ờng (c). Các giọt nhỏ bị dạt sang bên v† tránh khỏi bị tác động ton có thể bỏ qua hiệu suất liên kết của hai giọt có kích th‡ớc t‡ơng tự, bởi vì chúng ít khả năng va chạm ở vị trí thứ nhất. Sự va chạm v sự liên kết cùng với nhau hình thnh cơ chế quan trọng cho m‡a ở các vùng nhiệt đới, nơi những đám mây ấm chiếm ‡u thế. Tại các vĩ độ trung bình, đa số các đám mây cho giáng thủy có các nhiệt độ đóng băng, ít ra l tại các phần phía trên của chúng. Điều đó tạo thuận lợi cho sự tăng tr‡ởng giáng thủy bằng một cơ chế khác liên quan tới sự cùng tồn tại của các tinh thể băng v các giọt n‡ớc siêu lạnh, quá trình Bergeron (còn đ‡ợc biết đến nh‡ quá trình Bergeron- Findeisen hoặc quá trình tinh thể băng) đ‡ợc mô tả trong mục tiếp theo. Lớn lên trong các đám mây mát v† lạnh Khác với các bản sao của chúng tại vùng nhiệt đới, ít nhất một phần của đa số các đám mây vùng vĩ độ trung bình có nhiệt độ thấp hơn điểm tan băng. Nh‡ trên hình 7.5a, một số đám mây có nhiệt độ thấp hơn 0oC v cấu tạo hon ton từ các tinh thể băng, các giọt n‡ớc siêu lạnh hoặc hỗn hợp của cả hai. Các đám mây đó gọi l những đám mây lạnh. Trái lại, mây mát (hình 7.5b) có các nhiệt độ lớn hơn 0oC tại các biên phía d‡ới v những điều kiện cận đóng băng ở phía trên. Nh‡ chúng ta đã bn luận ở ch‡ơng 5, sự bão hòa tại nhiệt độ giữa -4oC v -40oC có thể dẫn đến sự hình thnh các tinh thể băng nếu có những nhân băng hiện diện hoặc hình thnh các giọt lỏng siêu lạnh nếu không có những nhân băng hiện diện. Nh‡ vậy, một đám mây tích khá phát triển có thể cấu tạo hon ton từ những giọt n‡ớc ở phần thấp của nó, một tổ hợp những giọt n‡ớc siêu lạnh v những tinh thể băng ở phần giữa v những tinh thể băng hon chỉnh ở phần đỉnh trên cùng (hình 7.6). Các quá trình đ‡ợc mô tả trong mục ny hoạt động bên trong những đám mây lạnh v mát có hỗn hợp băng v n‡ớc lỏng. Hình 7.5. Đám mây lạnh (a) có nhiệt độ thấp hơn 0oC từ chân đến đỉnh mây. Đám mây mát (b) có nhiệt độ lớn hơn 0oC ở các phần phía d~ới v† có nhiệt độ đóng băng ở phần phía trên Nh‡ chúng ta sẽ thấy, sự cùng tồn tại của băng v những giọt n‡ớc siêu lạnh rất quan trọng đối với sự phát triển của phần lớn giáng thủy ở bên ngoi vùng nhiệt đới. Một quá trình, trong đó những giọt n‡ớc v tinh thể trong các đám mây vùng vĩ độ trung bình lớn lên tới kích th‡ớc cho giáng thủy đã đ‡ợc mô tả bởi một trong những nh khoa học lỗi lạc của khí t‡ợng học hiện đại, Tor Bergeron. Quá trình 251 ny do đó th‡ờng đ‡ợc nhắc đến với tên gọi quá trình Bergeron. Nguyên lý cơ sở của quá trình Bergeron l áp suất hơi bão hòa xung quanh băng (l‡ợng hơi n‡ớc cần thiết để giữ băng ở trạng thái cân bằng) nhỏ hơn áp suất hơi n‡ớc bão hòa xung quanh n‡ớc siêu lạnh tại cùng một nhiệt độ. * Nói cách khác, nếu có vừa đủ hơi n‡ớc trong không khí để giữ cho một giọt siêu lạnh không bốc thnh hơi, thì l‡ợng hơi n‡ớc đó thừa đủ để duy trì một tinh thể băng. Chúng ta sẽ xem xét điều ny dẫn đến giáng thủy nh‡ thế no. _______________ Hình 7.6. Đám mây tích. Phần bên d~ới cấu tạo ho†n to†n từ các giọt lỏng, phần giữa - hỗn hợp băng v† n~ớc lỏng v† phần trên - ho†n to†n l† băng. Phần đỉnh mây cấu tạo từ băng có ranh giới mờ nhạt hơn Hãy quan sát hình 7.7 v xét tình huống trong đó các tinh thể băng v các giọt n‡ớc siêu lạnh cùng tồn tại, còn áp suất hơi n‡ớc thì bằng với áp suât cần thiết để giữ các giọt n‡ớc ở trạng thái cân bằng. Trên hình 7.7a tốc độ ng‡ng kết vo giọt n‡ớc lỏng bằng tốc độ bốc hơi. Nh‡ng khi áp suất hơi n‡ớc trong mây bằng áp suất hơi n‡ớc bão hòa đối với giọt n‡ớc, thì áp suất đó lớn hơn áp suất hơi bão hòa đối với băng. Điều ny lm cho một phần hơi n‡ớc trong không khí bị ng‡ng kết trực tiếp vo băng. Trữ l‡ợng hơi n‡ớc trong không khí sau đó bị giảm xuống v sẽ lm cho các giọt n‡ớc lỏng bị bốc hơi vì nó nh‡ờng n‡ớc để phục hồi trạng thái cân bằng (b). Nh‡ng quá trình ny ch‡a kết thúc ở đây, bởi vì sự bốc hơi từ giọt n‡ớc lm tăng trữ l‡ợng hơi n‡ớc của không khí, l‡ợng hơi n‡ớc đó lại tiếp tục ng‡ng kết vo các tinh thể băng (c). Kết cục dẫn tới một quá trình chuyển hóa liên tục: các giọt lỏng nh‡ờng hơi n‡ớc, để rồi hơi n‡ớc đó ng‡ng kết vo các tinh thể băng. Nói khác đi, các tinh thể băng liên tục lớn lên nhờ những giọt n‡ớc siêu lạnh tích tụ thêm vo. Mặc dù hình 7.7 diễn tả quá trình ny thnh các b‡ớc riêng biệt, nh‡ng bốc hơi v kết tụ trong thực tế xảy ra đồng thời. Sự lớn lên của các tinh thể băng nhờ quá trình kết tụ hơi n‡ớc th‡ờng không đủ để tạo ra m‡a lớn, chỉ l m‡a nhẹ. Khi các tinh thể băng lớn lên, khối l‡ợng của tinh thể tăng, chúng sẽ rơi trong mây v va chạm với những giọt n‡ớc v những tinh thể băng khác. Những vụ va chạm nh‡ thế gây nên hai quá trình quan trọng nữa có thể lm tăng rất nhanh tốc độ lớn lên của các tinh thể băng, đó l sự bồi kết * Đó l vì các phân tử trong một tinh thể băng liên kết với nhau chặt chẽ hơn so với các phân tử của n‡ớc lỏng. Rất thú vị l điều ny không phải Bergeron phát hiện ra, nó đ‡ợc phát hiện nhiều năm tr‡ớc bởi Alfred Wegener, nh khoa học nổi tiếng hơn do những đóng góp của ông cho học thuyết kiến tạo mảng (đôi khi gọi l thuyết trôi lục địa). Đóng góp của Bergeron l đã áp dụng nguyên lý ny vo sự tăng tr‡ởng của các hợp phần mây v quá trình hình thnh giáng thủy. (phủ s‡ơng muối) v kết cụm. Hình 7.7. Quá trình Bergeron. Nếu l~ợng hơi n~ớc trong không khí vừa đủ để giữ một giọt n~ớc siêu lạnh cân bằng, thì l~ợng đó thừa đủ để giữ một tinh thể băng cân bằng. Điều kiện n†y dẫn đến kết tụ (tức chuyển pha từ hơi n~ớc sang băng) nhanh hơn thăng hoa (tức chuyển pha từ băng sang hơi n~ớc) v† tinh thể lớn lên (a). Hơi n~ớc bị ít đi trong không khí l†m cho giọt n~ớc phải bốc hơi (b). Bốc hơi từ giọt n~ớc l†m cho không khí có thêm n~ớc v† kích thích sự tăng tr~ởng tinh thể băng (c). Tuy ở đây biểu diễn một chuỗi các b~ớc riêng biệt, nh~ng các quá trình diễn ra đồng thời Bồi kết vˆ kết cụm. Chúng ta đã thấy rằng sự hình thnh các tinh thể băng trong khí quyển th‡ờng đòi hỏi phải có mặt những nhân băng, hay những hạt khởi động sự đóng băng. Trong thực tế, bản thân băng chính l một nhân băng rất hiệu dụng. Nh‡ vậy, khi các tinh thể băng rơi trong mây v va chạm với các giọt siêu lạnh, n‡ớc lỏng sẽ ng‡ng kết thnh băng bám vo các tinh thể băng. Quá trình ny gọi l phủ soơng muối (hoặc l bồi kết), nó lm cho các tinh thể băng lớn lên nhanh, tiếp tục tăng tốc độ rơi v kích thích bồi kết hơn nữa. Một quá trình quan trọng khác trong phát triển giáng thủy l sự kết cụm, liên kết hai tinh thể băng để tạo thnh một tinh thể đơn lớn hơn. Sự kết cụm xuất hiện dễ nhất khi các tinh thể băng có một lớp áo mỏng bằng n‡ớc lỏng để lm cho chúng dễ “dính” hơn. N‡ớc nh‡ thế hay có nhất khi nhiệt độ mây không thấp hơn 0oC quá nhiều, vậy sự kết cụm l quan trọng hơn ở phần ấm hơn của đám mây lạnh. (Có lẽ 253 bạn đã từng để ý thấy rằng những bông tuyết rất lớn th‡ờng hay thấy hơn trong thời gian tuyết đầu mùa còn ấm, trái lại với tuyết giữa đông. Tổ hợp bồi kết v kết cụm cho phép các tinh thể băng lớn lên nhanh hơn nhiều so với sự kết tụ hơi n‡ớc vo băng. Trong thực tế, tốc độ lớn lên nhờ ba quá trình ny cùng kết hợp lại tạo ra những tinh thể băng có kích th‡ớc giáng thủy trong khoảng một nửa giờ kể từ khi khởi đầu hình thnh băng. Khi các tinh thể băng bắt đầu rơi, thì giáng thủy bắt đầu. Điều gì xảy ra với các tinh thể ny khi chúng rơi sẽ quyết định kiểu giáng thủy. Các kiểu giáng thủy ở vùng nhiệt đới, giáng thủy xuất hiện chủ yếu nhờ quá trình va chạm – liên kết, v vì thế chỉ có thể l m‡a. ở các vĩ độ trung bình, nơi các tinh thể băng chiếm ‡u thế, giáng thủy l rắn hay l lỏng tùy thuộc vo trắc diện nhiệt độ không khí. Nếu giáng thủy đạt tới bề mặt m ch‡a có sự tan băng, thì chúng ta thấy tuyết. Nếu nó tan trên đ‡ờng rơi xuống, nó có thể tới bề mặt d‡ới dạng m‡a. Nh‡ng những giọt m‡a đôi khi lại bị ng‡ng kết lần nữa tr‡ớc khi hoặc ngay sau khi đạt tới bề mặt, thì khi đó chúng ta có một kiểu giáng thủy khác. Bây giờ chúng ta xem xét các kiểu giáng thủy. Tuyết Tuyết sinh ra do những tinh thể băng lớn lên trong quá trình kết tụ, bồi tụ v kết cụm. Các tinh thể băng trong mây có thể có rất nhiều hình dạng khác nhau: đĩa 6 cạnh, trụ tuyết, kim đặc hoặc rỗng v cây nhiều nhánh di v mảnh (hình 7.8). Cấu trúc tuyết tùy thuộc vo những điều kiện nhiệt độ v độ ẩm tồn tại trong khi tinh thể hình thnh. Nếu ton bộ quá trình tăng tr‡ởng tinh thể diễn ra trong các điều kiện t‡ơng tự, thì cấu trúc tuyết có thể rất đơn giản. Mặt khác, nếu điều kiện nhiệt độ v độ ẩm thay đổi trong khi tăng tr‡ởng, một hỗn hợp phức tạp gồm đĩa, kim v cây