Ch ơng Cân l ợng v nhiệt ®é S¸ng sím ng y 24/10/1998, xo¸y thn nhiƯt ®íi Mitch vừa mạnh lên th nh trận bÃo thực phía tây Đại Tây D ơng Mặc dù nh dự báo tin xoáy thuận mạnh lên tiếp v di chuyển phía tây, song không biÕt r»ng Ýt ng y Mitch cã thÓ trë th nh mét trËn b·o tåi tÖ nhÊt tÊn công vùng Trung Mỹ kể từ năm 1780 Mức độ phá hủy tổng cộng khó m đánh giá Con số tổn thất sinh mạng xác từ bÃo Mitch không đ ợc biết, song có lẽ khoảng 000 v 18 000 ng ời Gió giật cỡ 320 km/h v l ợng m a 50 cm đà l m trơ trụi nhiều l ng mạc Nơi chịu đựng tồi tệ l Honduras, 20 % dân c đất n ớc n y d ng trở th nh vô gia c Vùng núi Nicaragoa bị thiệt hại đặc biệt nặng nề trận tr ợt đất phá hoại t n bạo Một nông dân, tên l José Morales, kể lại trải nghiệm với vụ tồi tệ nhất, vụ tr ợt đất Casitas tây bắc Nicaragoa: Đó l khối cầu đất v cối v không nhìn thấy nh cửa (xem hình 3.1) Hình 3.1 ¶nh vƯ tinh b·o Mitch, trËn b·o t n khèc nhÊt tr n tíi Trung Mü cuèi thÕ kû 20 http://www.ebook.edu.vn 85 Nỗi thống khổ bÃo Mitch tiếp tục Các quốc gia bị hại khu vực đà phải chống chọi với nguy bệnh tả, sốt rét v bệnh sốt nhiệt đới - không kể nạn ®ãi ho nh h nh mïa m ng bÞ phá hoại Hoduras khoảng 70 % mùa m ng bị phá hoại v tỉ lệ t ơng tự sở hạ tầng giao thông bị triệt phá Một số chuyên gia cứu nạn đà ớc tính cần 15 đến 20 năm tr ớc hậu trận bÃo đ ợc khắc phục ho n to n Giống nh trận bÃo mạnh khác, Mitch tr n tới diện tích lớn phần t triệu km2, kéo d i gần tuần, xả xng h ng triƯu tÊn n íc m a v gió phăng l ng mạc Một hoạt động nh đòi hỏi l ợng l ợng khổng lồ, v nh đà thấy ch ơng 2, xạ Mặt Trời cung cấp tất l ợng Nh ng câu chuyện ch a phải đà hết, phần lớn l ợng chứa khí không tích lũy cách hấp thụ trực tiếp xạ Mặt Trời Ng ợc lại, phần lớn l ợng có đ ợc cách gián tiếp từ Mặt Trời sau đà bị hấp thụ tr ớc bề mặt Trái Đất Từ đây, số trình kết hợp với để vận chuyển l ợng hấp thụ n y v o khÝ qun Trong ch ¬ng n y xem xét vận chuyển l ợng đó, cung cấp nhiên liệu cho t ợng thời tiết h ng ng y v sù kiƯn tai häa nh b·o Mitch ¶nh h ëng khí xạ tới Bức xạ Mặt Trời đạt tới đỉnh khí không qua khí cách không bị cản trở, m ng ợc lại, bị suy yếu nhiều trình Khí hấp thụ phần xạ cách trực tiếp v thu đ ợc nhiệt Một phần khác tiêu tán nh tia yếu theo nhiều h ớng khác thông qua trình gọi l tán xạ Một số xạ tán xạ h ớng trở lại không gian; phần lại bị tán xạ h ớng tới nh l ánh sáng m nhìn thấy từ phần bầu trời xa đĩa Mặt Trời Trong tr ờng hợp, phần l ợng tán xạ không bị hấp thụ khí v không góp phần l m nóng Bức xạ tới lại không bị hấp thụ v tán xạ v qua khí không bị biến đổi, đạt tới bề mặt với t cách l xạ trực tiếp Nh ng tất l ợng đạt tới bề mặt đ ợc hấp thụ Ng ợc lại, phận bị tán xạ trở lại v o không gian v giống nh xạ bị tán xạ khí quyển, không góp phần l m nóng h nh tinh Các trình n y - hấp thụ, tán xạ v vận chuyển xạ Mặt Trời - trực tiếp ảnh h ởng tới phân bố nhiệt độ to n khÝ qun Chóng cịng gi¶i thÝch mét sè t ợng khí đáng quan tâm th ờng ng y nh bÇu trêi xanh lam mét ng y quang mây hay sắc đỏ buổi ho ng hôn Trong mục n y, khám phá trình tác động tới xạ tới Hấp thụ Các chất khí khí quyển, hạt li ti v giọt m a l m suy giảm c ờng độ xạ tới hấp thụ §iỊu quan träng ph¶i l u ý l hÊp thơ thể truyền l ợng cho vật hấp thơ Sù trun n y cã hai hƯ qu¶: vËt hấp 86 http://www.ebook.edu.vn thụ nhận đ ợc l ợng v nóng lên, l ợng l ợng cung cấp cho bề mặt bị giảm Các chất khí khí hiệu nh hấp thụ ánh sáng Mặt Trời, v b ớc sóng xạ khác không bị hấp thụ nh Thí dụ, xạ cực tím gần nh bị hấp thụ ho n to n ôzôn bình l u Ng ợc lại, xạ nhìn thấy qua khí với l ợng hÊp thơ cùc tiĨu §iỊu n y cã mét hƯ nhỏ, nh khí có khả hấp thụ tất l ợng Mặt Trời đến, bầu trời tối ho n to n Các loại ánh sáng nhân tạo l vô ích, xạ chúng chắn bị hấp thụ Chính thực tế nhìn thấy khoảng cách lớn mách bảo khí l vật đặc biệt giỏi hấp thụ xạ nhìn thấy, ấn t ợng Bức xạ cận hồng ngoại, thể gần nửa xạ Mặt Trời phát ra, bÞ hÊp thơ chđ u bëi hai chÊt khÝ khí - n ớc v (ở mức độ hơn) cacbon điôxit Đó l lý ánh sáng Mặt Trời trực tiếp vùng hoang mạc có cảm giác nóng nh vậy, bóng râm dễ chịu, khác biệt nhiệt độ biĨu kiÕn d íi ¸nh s¸ng trùc tiÕp v d ới bóng râm l t ơng đối nhỏ vùng ẩm Khi độ ẩm cao, n ớc hấp thụ phần lớn xạ cận hồng ngoại, l m giảm l ợng l ợng khả l m nóng da Trong ng y khô, sụ thiếu hụt n ớc cho phép l ợng lớn xạ cận hồng ngoại xuyên qua khí v l m tăng nhiệt độ da bạn Phản xạ v tán xạ Phản xạ l ợng l trình xạ tiếp xúc với vật n o bị đổi h ớng khỏi bề mặt m không bị hấp thụ Lý nhìn đ ợc l mắt ng ời có khả phát tiếp nhận xạ nhìn thấy Năng l ợng nhìn thấy truyền tất h ớng bị phản xạ khỏi đối t ợng tầm nhìn Một số ánh sáng phản xạ tới tiếp xúc với mắt chúng ta, mắt gửi tín hiệu trung tâm quang học nÃo xử lý Tất chất phản xạ ánh sáng nhìn thấy, nh ng với hiệu khác Chẳng hạn, đám tuyết t phản xạ ánh sáng nhìn thấy hiệu quả, cục than phản xạ phần nhỏ xạ nhìn thấy tới bề mặt Tỉ phần phần trăm ánh sáng nhìn thấy bị phản xạ vật chất đ ợc gọi l albeđô Ngo i ra, vật không phản xạ tất b ớc sóng nh Thí dụ, áo sơ mi có m u xanh lam phản xạ hiệu c¸c b íc sãng ë vïng xanh lam cđa phỉ ánh sáng bị phản xạ từ bề mặt theo hai cách khác Khi ánh sáng chạm v o g ơng, bị phản xạ lại nh chùm c ờng độ, ng ời ta gọi l phản xạ g ơng Ng ợc lại, chùm bị phản xạ từ vật nh số lớn tia yếu truyền nhiều h ớng khác nhau, ng ời ta gọi l phản xạ tản mạn hay tán xạ Khi tán xạ xảy ra, bạn nhìn thấy ảnh bề mặt phản xạ nh bạn nhìn thấy g ơng Do đó, bề mặt tuyết t phản xạ trở lại phần lớn ánh http://www.ebook.edu.vn 87 sáng nhìn thấy tới nó, bạn nhìn ngắm cách nhìn v o tuyết Đại đa số bề mặt tự nhiên l bề mặt phản xạ tản mạn l bề mặt phản xạ g ơng Ngo i nhiều bề mặt chất rắn, phân tử khí, hạt li ti v giọt n ớc nhỏ tán xạ xạ Hơn nữa, nhiều xạ bị tán xạ trở lại không gian, nhiều xạ bị đổi h ớng phía bề mặt Năng l ợng tán xạ đạt tới bề mặt Trái Đất l xạ tản mạn, khác với xạ trực tiếp không tản mạn Hình 3.2 minh họa trình tán xạ v biến đổi xạ trực tiếp th nh xạ tán xạ Bạn xét trình n y theo cách nh sau: tập hợp xạ trực tiếp l tạo nên bóng râm, bề mặt bóng râm xạ trực tiếp không tối ho n to n, đ ợc chiếu sáng xạ tán xạ HÃy l u ý dù đ ợc thực phân tư khÝ, h¹t li ti hay giät n íc, song kết l trình tán xạ, xạ bị đổi h ớng không bị hấp thụ Các đặc tr ng xạ bị tán xạ khí phụ thuộc v o kích th ớc tác nhân tán xạ (các phân tử không khí hạt lơ lửng) so với b ớc sóng l ợng điện từ tới Tồn ba loại tán xạ phổ biến: tán xạ Rayleigh, tán xạ Mie v tán xạ không chọn lọc Tán xạ Rayleigh Các tác nhân tán xạ bé khoảng phần m ời b ớc sóng xạ tới l m tản mát xạ theo kiểu gọi l tán xạ Rayleigh Tán xạ Rayleigh đ ợc thực phân tử khí riêng lẻ khí Nó không tác động nh tới tất b ớc sóng xạ Mặt Trời; ng ợc lại, thiên phía b ớc sóng ngắn Tán xạ Rayleigh đặc biệt hiệu ánh sáng nhìn nhìn thấy, đặc biệt với ánh sáng Hình 3.2 Tán xạ l trình chùm tia xạ bị chia th nh nhiều tia yếu định h ớng lại nhiều h ớng khác có m u nh b ớc sóng ngắn nhất, ánh sáng xanh lam bị tán xạ phân tử không khí hiệu ánh sáng đỏ với b ớc sóng d i Ngo i ra, tán xạ Rayleigh l m tản mát xạ theo hai h ớng tiến lên tiếp v quay trở lại Kết hợp với độ hiệu lớn tán xạ b ớc sóng ngắn, đặc điểm n y dẫn đến ba t ợng lý thú: bầu trời xanh lam ng y quang mây, sắc xanh lam khí nhìn từ khoảng không bên ngo i v sắc đỏ khoảnh khắc ho ng hôn v bình minh Hình 3.3 minh họa tán xạ Rayleigh tạo bầu trời xanh lam nh n o Khi chùm tia xạ song song v o khí quyển, phần ánh sáng bị ®ỉi 88 http://www.ebook.edu.vn h íng so víi h íng ban đầu Một ng ời nhìn lên phía trên, không theo h ớng Mặt Trời, nhìn thấy số ánh sáng tán xạ đà bị đổi h ớng phía ng ời quan sát Vì ánh sáng xanh lam thuộc loại ngắn b ớc sóng nhìn thấy (v dễ bị tán xạ nhất), xạ tán xạ chứa tỉ phần ¸nh s¸ng xanh cao h¬n so víi c¸c ¸nh s¸ng v ng, lơc hay c¸c b íc sãng d i khác Tán xạ Rayleigh diễn điểm khí suốt v h ớng l ợng tới ng ời quan sát từ tất h ớng, bạn nhìn lên từ đâu ng y quang mây bầu trời l m u lam Dĩ nhiên, tất xạ tới bị tán xạ ng y trời quang Thật vậy, l ợng xạ tán xạ nhận đ ợc bề mặt điều kiện trời không mây th ờng khoảng phần m ời l ợng xạ trực tiếp Hình 3.3 Bầu trời có m u lam khí v hạt li ti khí tán xạ phần xạ Mặt Trời tới theo tất h ớng Các phân tử không khí tán xạ b ớc sóng ngắn hiệu Ai mặt đất nhìn lên trời tiếp nhận ánh sáng lam, b ớc sóng ngắn phần phổ nhìn thấy Trên Mặt Trăng, khí quyển, bầu trời th nh m u đen (hình 3.4) Khi ng ời quan sát nhìn phía chân trời lên phía Mặt Trăng, ánh sáng tán xạ xuống phía d ới, khí v bầu trời không khác với bầu trời đêm Tất nhìn thấy đ ợc l l ợng phản xạ từ bề mặt Mặt Trăng v Trái Đất Cùng trình dẫn tới bầu trời lam nhìn từ mặt đất tạo nên sắc lam khí nhìn từ khoảng không vũ trụ Giống nh tán xạ h ớng tới, tán xạ ng ợc trở lại thiên phía b ớc sóng xanh lam, nên xạ tản mát h ớng ng ợc trở lại khoảng m u lam http://www.ebook.edu.vn 89 Tán xạ Rayleigh l nguyên nhân m u đỏ bình minh v ho ng hôn nh thấy hình 3.5 Hình 3.5 cho thấy điều n y đà diễn nh n o Khi Mặt Trời gần chân trời, ánh sáng Mặt Trời phải khoảng cách lớn qua khí so với lúc tr a v quÃng đ ờng xa l m tăng l ợng tán xạ Rayleigh Vì chùm tia trực xạ phải quÃng đ ờng d i nó, b ớc sóng ngắn xạ bị suy kiệt, b ớc sóng d i chiếm tỉ phần tăng lên ánh sáng trực xạ Bầu trời lân cận Mặt Trời m có sắc đỏ ánh sáng lục v lam (b ớc sóng ngắn hơn) bị suy kiệt Hình 3.4 Cảnh Trái Đất lên du h nh gia Apollo 11 nhìn thấy Mặc dù ảnh n y chụp ban ng y, Mặt Trăng bầu trời xanh Đó l khí để tán xạ xạ tới từ Mặt Trời HÃy để ý sắc lam Trái Đất, hệ tán xạ Rayleigh Tán xạ Mie Các chuyển động thẳng đứng khí t ơng đối mạnh nên khí chứa hạt son khí lơ lửng Điều n y không th nh phố, nơi có xu nồng độ ô nhiễm không khí cao hơn, m vùng nông thôn cách xa với hoạt động đô thị Các hạt son khí vi mô lớn nhiều so với phân tử không khí v chúng tán xạ ánh sáng trình gọi l tán xạ Mie Khác với tán xạ Rayleigh, tán xạ Mie chủ u vỊ phÝa tr íc, chØ l m cho mét l ợng l ợng t ơng đối nhỏ quay ng ợc lại khoảng không Ngo i ra, tán xạ Mie gần nh xu h ớng tán xạ xạ b ớc sóng ngắn nh tán xạ Rayleigh Do đó, v o ng y có s ơng hay ô nhiễm cao (khi nồng độ son khí cao) bầu trời trở nên xám, to n phần nhìn thấy phổ bị tán xạ cách hiệu phía mặt đất Tán xạ Mie c ng l m cho bình minh v ho ng hôn trở nên đỏ so với tán xạ Rayleigh, đợt ô nhiễm không khí nặng dẫn tới buổi ho ng hôn ngoạn mục (hình 3.6) Các vụ cháy c ng l m cho tán xạ Mie tăng c ờng C dân miền tây n ớc Mỹ tận mắt thấy ® ỵc hiƯn t ỵng n y 90 http://www.ebook.edu.vn nhiều vụ cháy lớn thiêu trụi khắp khu vực v o mùa hè năm 2002 Nếu vụ cháy đủ lớn, tán xạ Mie tăng lên khoảng cách rộng theo chiều gió Thí dụ năm 1998, hỏa hoạn Công viên Quốc gia Yosemite l m rực đỏ bầu trời tới tận Minneapolis, Minnesota Các vụ phun tr o nói lưa, nh vơ lín ë Pinatubo năm 1991, chí l m thẫm m u đỏ bình minh v ho ng hôn khắp bán cầu, gió bình l u mang son khí xa nguồn chúng Hình 3.5 Bình minh v ho ng hôn có m u đỏ ánh sáng Mặt Trời qua quÃng đ ờng d i khí quyển, gây nên tán xạ mạnh, loại bỏ b ớc sóng ngắn khỏi chùm tia xạ tới Kết l ánh sáng Mặt Trời chứa gần nh to n l b ớc sóng d i (đỏ) Hình 3.6 Tán xạ b ớc sóng ngắn l m tăng m u đỏ bình minh v ho ng hôn thời kỳ nồng độ hạt li ti cao khí http://www.ebook.edu.vn 91 Tán xạ không chọn lọc Các giọt n ớc mây lớn nhiều so với hạt li ti lơ lửng; chúng tán xạ ánh sáng theo cách khác nữa, nhiều giống nh lăng kính Một giọt n ớc biệt lập tác động tới b ớc sóng khác xạ Mặt Trời cách khác Bạn nhìn thấy điều n y n o bạn đ îc chøng kiÕn mét cÇu vång, nã l m cho b ớc sóng bị khúc xạ (đổi h ớng) l ợng khác nhau, từ có băng m u riêng Tuy nhiên, tổng thể mây phản xạ tất b ớc sóng xạ tới gần nh nhau, l nguyên nhân mây th nh có m u trắng xám Bởi không u tiên cho b ớc sóng cụ thể n o, tán xạ mây đ ợc gọi l tán xạ không chọn lọc Mây l tác nhân quan trọng tán xạ không chọn läc v cã mét ¶nh h ëng to lín tíi trình nhận xạ Mặt Trời to n cầu, phản xạ l ợng l ợng lớn trở lại khoảng không vũ trụ Vận chuyển Khi xạ Mặt Trời qua khoảng chân không không gian vũ trụ biÕn ®ỉi n o vỊ c êng ®é, h íng hay b íc sãng cđa nã Tuy nhiªn, nã ®i v o khÝ qun, chØ cã mét phÇn bøc xạ qua không bị cản trở tới bề mặt Tổng l ợng biến đổi mạnh tùy thuộc v o điều kiện khí Một bầu khÝ qun v kh« cã thĨ trun qua tíi 80 % xạ Mặt Trời tới nh l chùm xạ trực tiếp không bị tán xạ v hấp thụ Đó l bạn đ ợc trải nghiệm v o mét ng y trêi quang, kh«ng nhiƠm bÈn với bóng râm sắc rõ nét Ng ợc lại, trời nhiều mây hay s ơng mù, phần nhỏ xạ Mặt Trời đạt tới mặt đất nh l trực xạ Trong điều kiện đó, tổng l ợng xạ đạt tới mặt đất bị suy giảm, đồng thời trực xạ chuyển th nh xạ tản mát hay tán xạ Số phận xạ Mặt Trời Vì quỹ đạo Trái Đất quanh Mặt Trời ho n to n tròn nên có chút biến thiên mùa l ợng xạ tới khả năng, l ợng Mặt Trời khả v o kỳ cận điểm nhiều khoảng % so với kỳ viễn điểm Bất chấp biến thiên ®ã, sÏ l tiƯn lỵi nÕu chóng ta coi bøc xạ tới đỉnh khí l không đổi v xem điều xảy ra, trung bình, với khoản l ợng Nói cách khác, phải tính toán l ợng xạ t ơng đối truyền qua khÝ qun, bÞ hÊp thơ bëi khÝ qun v mặt đất v bị tán xạ trở lại khoảng không Một công việc nh quan trọng hoạt động kế toán đơn thuần, l ợng xạ bị hấp thụ khí v mặt đất ảnh h ởng lớn tới nhiệt độ khí v mặt đất Để đơn giản, chấp nhận 100 đơn vị xạ tới có mặt đỉnh khí v sau so sánh l ợng l ợng tán xạ ng ợc trở lại khoảng không v bị hấp thụ khí v mặt đất với 100 đơn vị Luôn nhớ rằng, giá trị đ ợc biểu diễn lập luận n y l giá trị trung bình năm v to n cầu; không cần áp dụng n¬i hay mét thêi gian n o thĨ (xem hình 3.7) Về trung bình to n cầu, khí hấp thụ 25 số 100 đơn vị có đỉnh khí số 25 đơn vị l xạ cực tím bị hấp thụ bình l u 92 http://www.ebook.edu.vn ôzôn, phần lớn lại l xạ cận hồng ngoại bị hấp thụ đối l u chất khí (chủ yếu n ớc) Vậy phần lớn xạ hấp thụ khí l xạ nhìn thấy - tình có lợi với chúng ta, nh xạ nhìn thấy bị hấp thụ mạnh khí quyển, khó m nhìn đ ợc Phải nhận xét thêm t ơng đối xạ sóng ngắn bị hấp thụ mây; ng ợc lại, mây tác động đến xạ tới chủ yếu thông qua tán xạ v phản xạ Hình 3.7 Bức xạ Mặt Trời tới khả chịu tác động số trình qua khí Mây v khí khí phản xạ 19 v đơn vị trở lại khoảng không Khí hấp thụ 25 đơn vị Chỉ nửa xạ tới khả đỉnh khí thực đạt tới mặt đất, từ đơn vị bị phản xạ ng ợc lại Bức xạ ròng mặt đất hấp thụ l 45 đơn vị Tuy giọt n ớc mây hấp thụ xạ sóng ngắn t ơng đối hiệu quả, chúng tán xạ trở lại tỉ phần lớn l ợng tới Mây có albeđô cao l m cho đ ợc nhìn thấy rõ chí từ vũ trụ, m l m giảm mạnh l ợng l ợng khả l m nóng khí v bề mặt Về trung bình, thảm mây to n cầu phản xạ 19 đơn vị xạ tới trở lại vũ trụ Nh ng mây l tác nhân phản xạ Lấy trung bình to n cầu, chất khí khí v son khí tán xạ ng ợc lại v o vũ trụ số 100 đơn vị xạ tới đỉnh khí quyển, tán xạ Rayleigh quan trọng tán xạ Mie (bởi tán xạ Mie chủ u h íng xng phÝa d íi h¬n l h ớng trở lại vũ trụ) Tổng cộng, tán xạ mây v chất khí trả lại vũ trụ 25 đơn vị (tức chúng l m cho khí có albeđô =25 %) Sau khí hấp thụ v tán xạ, 50 đơn vị xạ tới đạt tới bề mặt Nh ng tất xạ đạt tới bề mặt đ ợc hấp thụ, bề mặt Trái Đất đen tuyệt đối Trong số 50 đơn vị xuống tới bề mặt, đơn vị bị quay trở lại khoảng không Tổng cộng có tất 30 đơn vị xạ Mặt Trời đ ợc phát tán trở lại vũ trụ (25 tõ khÝ qun v tõ bỊ mỈt), dÉn tíi albeđô h nh tinh l 30 % HÃy l u ý l l ợng xạ tới bị phản xạ từ mặt đất nhỏ l ợng bị phát tán trở lại chất khí khí Nói cách khác, nhìn từ vũ trụ, h nh tinh sáng l nhờ phản xạ khí l nhờ phản xạ mặt đất Kết cuối trình n y l khí hấp thụ 25 đơn vị http://www.ebook.edu.vn 93 l ợng, mặt đất nhận lấy 45 đơn vị Nếu nh câu chuyện có thế, tất bị nguy to, cung ứng nhiệt không đổi l m cho h nh tinh liên tục nóng lên Thật vậy, nh nguồn l ỵng n y ® ỵc tÝch lịy mét líp v i cm bên bề mặt Trái Đất, mặt đất bị nung nóng với tốc độ v i trăm độ bách phân ng y! Rõ r ng không thấy đại d ơng bị sôi lên, m mặt đất không bị nóng chảy ra; bề mặt phải không ngừng l m l ợng Khí thế, v to n hệ thống Trái Đất - khí Nói cách khác, điều kiện biến đổi khí hậu, bề mặt, khÝ qun v hƯ thèng h nh tinh ph¶i l m nhiều l ợng nh chúng đà nhận đ ợc Để đạt đ ợc cân l ợng đó, l ợng l ợng khổng lồ phải đ ợc vận chuyển khỏi hệ thống Trái Đất, v phạm vi hệ thống bề mặt v khí Bây b n đến chế liên quan tới việc trì cân l ợng Trái Đất Những trình truyền l ợng bề mặt v khí Khí v bề mặt không ngừng trao đổi l ợng với Phần lớn trình trao đổi l ợng đ ợc thực phát xạ v hấp thụ xạ, nh ng trình khác quan trọng Mục n y mô tả trình m thông qua chúng l ợng đ ợc truyền Trao đổi xạ bề mặt - khí Giống nh tất vật thể khác có nhiệt độ nằm phạm vi nhiệt độ Trái Đất, bề mặt Trái Đất v khí phát l ợng gần nh ho n to n ë vïng sãng d i (chđ u l nhiƯt hång ngoại) Mọi b n luận vận chuyển l ợng sóng d i có phần phức tạp so với b n luận xạ Mặt Trời, l ợng sóng d i điểm đầu hay điểm cuối rõ rệt Bức xạ sóng d i bề mặt Trái Đất phát xạ bị hấp thụ mạnh khí Điều l m tăng nhiệt độ khí v l m cho khí c ng phát xạ nhiều l ợng ngo i khoảng không Năng l ợng khí phát xạ đ ợc truyền tất h ớng, kể h ớng xuống phía d ới, v đó, bề mặt nhận đ ợc phần đáng kể l ợng n y Quá trình n y lại l m bề mặt đ ợc nung nóng tiếp, lại dẫn tới tăng phát xạ sóng d i từ bề mặt, khí lại thu đ ỵc nhiƯt, v cø thÕ tiÕp diƠn Nãi c¸ch kh¸c, có chu trình trao đổi vô tận, l ợng liên tục vận chuyển tới v lui Hình 3.8 mô tả l ợng xạ sóng d i trung bình to n cầu trao đổi khí v bề mặt Bắt đầu với bề mặt, thấy 104 đơn vị xạ sóng d i đ ợc phát lên v o khí quyển, phần lớn (100 đơn vị) bị hấp thụ khÝ qun KhÝ qun s¹ch hÊp thơ bøc x¹ nhiệt tốt nhiều so với xạ Mặt Trời, l có mặt n ớc v cacbonic Nh đà thấy hình 3.9, hai chất khí n y l vật hấp thụ tốt xạ sóng d i, dải hấp thụ mạnh nằm phần sóng d i phổ (xem chuyên mục 3-1: Những nguyên lý vật lý: Sự hấp thụ chän läc bëi h¬i n íc v khÝ cacbonic) 94 http://www.ebook.edu.vn so với s ờn dốc h ớng khác, đó, dễ nhận đ ợc nhiều l ợng v nhiệt độ bề mặt cao Sự nung nãng c¸c s ên h íng nam th êng dÉn tới l m khô hạn nhiều so với s ờn đối diện, h ớng bắc Bức tranh thùc vËt th êng thÝch øng víi sù thay ®ỉi vi khí hậu, thực vật chịu điều kiện khô hạn chiếm lĩnh s ờn h ớng bắc Một tranh nh đ ợc biểu diễn h×nh 3.20 H×nh 3.20 H íng s ên l mét nhân tố ảnh h ởng tới nhiệt độ Bắc bán cầu s ờn h ớng bắc th ờng nhận nhiệt l ợng ban ng y hơn, ®ã, cã nhiƯt ®é thÊp h¬n, tèc ®é bay h¬i bề mặt chậm, giữ đ ợc nhiều n ớc cho thực vật; vậy, s ờn h ớng bắc v s ên h íng nam cã c¸c kiĨu thùc vật khác Các khu vực rừng d y đặc có chế độ nhiệt độ khác với khu vùc thiÕu th¶m thùc vËt ë mét vïng gièng nh đ ợc biểu diễn hình 3.21, thảm thực vật cao, d y l m giảm mức độ s ởi nóng ánh sáng Mặt Trời ban ng y; v bay n ớc nhiều từ bề mặt Ban đêm, tán l m giảm thất thoát xạ sóng d i Những nhân tố n y dẫn tới nhiệt độ ban ng y thấp hơn, nh ng buổi tối ấm Các hiệu ứng thực vật tới khí hậu địa ph ơng th ờng đ ợc lợi dụng theo cách l m tăng tiện nghi cho ng ời Chẳng hạn, trồng rộng phía nam tòa nh th ờng l ý t ởng tốt Trong tháng hè nóng, cối rủ bóng xuống tòa nh , nhờ giữ nhiệt độ bên thấp giảm chi phí điều hòa không khí Khi mùa đông đến, rụng l m giảm suy yếu ánh sáng Mặt Trời giữ ấm cho tòa nh Đo nhiệt độ Đo nhiệt độ l thủ tục đơn giản v th ờng ng y, giÃn v nÐn cđa chÊt láng ë chiÕc nhiƯt kÕ đ ợc ghi nhận Những nhiệt kế xác chứa thủy ngân, kim loại tồn dạng lỏng nhiệt độ bình th ờng Trái Đất Các mẫu nhiệt kế rẻ tiền th ờng sư dơng chÊt cån nhm m u 112 http://www.ebook.edu.vn H×nh 3.21 Th m thùc vËt d y l m h¹ nhiƯt ®é ban ng y nhê hiƯu øng che kht xạ Mặt Trời tới (a) Ban đêm (b), tán rừng l m chậm trình xạ sóng d i v o khoảng không, dẫn tới nhiệt độ ban đêm cao so với nơi thoáng Biết nhiệt độ tối cao v tèi thÊp ng y th êng rÊt cã Ých NhiƯt kÕ tèi cao rÊt gièng mét nhiƯt kÕ b×nh th ờng, nh ng có hai điểm khác biệt Khác với nhiệt kế bình th ờng, phải chứa thủy ngân - dùng cồn nhuộm m u Điểm khác l ống tuyp d ới bầu có khe hẹp (hình 3.22) cho phÐp thđy ng©n në phÝa ngo i nhiƯt độ tăng, nh ng ngăn chặn thủy ngân co trở lại bầu nhiệt độ giảm Nhiệt độ nhiệt kÕ tèi cao chØ nhiƯt ®é cao nhÊt diƠn từ lần cuối c i đặt nhiệt kế C i đặt nhiệt kế dễ; cần vẩy mạnh nhiƯt kÕ xng phÝa d íi cã thĨ c ìng bøc thđy ng©n tơt xng (l u ý r»ng mét nhiệt kế y học dùng nh phòng khám đa khoa th ờng l kiểu nhiệt kế tối cao) Nếu dụng cụ n y đ ợc gắn v o giá xoay, đ ợc c i đặt cách quay cho lực li tâm đẩy thủy ngân trở lại bầu Nhiệt kế tối thÊp (xem h×nh 3.22) cịng gièng mét nhiƯt kÕ b×nh th êng, ngo¹i trõ nã cã thĨ chØ chøa cån nhuém m u v bªn cån cã mét trỏ nhỏ hình dạng giống nh cân nhọn Nếu trỏ nằm đầu mút cồn v nhiệt độ hạ xuống, sức căng bề mặt (lực giữ cho phân tử n ớc nhau) kéo trỏ phía bầu Khi nhiệt độ tăng lên, trỏ giữ nguyên vị trí chất cồn nở từ bầu Các nhiệt kế tối thấp đ ợc gắn nằm ngang với giá đòn bẩy nhả khớp để dụng cụ đảo Dụng cụ đ ợc c i đặt cách đảo ng ợc đầu, cho phép trỏ tr ợt chậm xuống d ới đến đầu mút cđa chÊt cån http://www.ebook.edu.vn 113 H×nh 3.22 NhiƯt kÕ tèi cao (d íi) cã khe hĐp chØ cho thđy ng©n chảy khỏi bầu Nhiệt kế tối thấp (trên) có trỏ tr ợt nhiệt độ thấp kể từ lần cuối đặt dụng cụ Một dụng cụ khác để đo nhiệt độ l l ỡng kim, cấu tạo từ hai mỏng kim loại khác gắn với Vì kim loại có độ co v giÃn nhiệt khác nhau, kim loại bị thay đổi độ d i nhiều so với kim loại khác, l m cho bị uốn cong Một mũi tên v bảng mỏng đ ợc gắn v o l ỡng kim, độ cong đ ợc khuếch đại tay đòn bẩy Khi cấu n y kÕt hỵp víi mét tang quay v mét ngòi bút, ta có nhiệt ký (hình 3.23) cung cấp đ ờng ghi nhiệt độ liên tục Các buồng nhiệt máy s ởi ấm v điều hòa không khí nhiều tòa nh sử dụng l ỡng kim để xác định nhiệt độ phòng Hình 3.23 Nhiệt ký Còn có dụng cụ phức tạp để đo nhiệt độ Một thiết bị nh l điện nhiệt kế, dụng cụ đ a dòng điện qua dây dẫn mảnh 114 http://www.ebook.edu.vn để lộ không khí Nhiệt độ dây dẫn ảnh h ởng tới điện trở, cho phép điện nhiệt kế xác định nhiệt độ thông qua đo độ giảm dòng điện qua dây Các điện nhiệt kế l dụng cụ thích ứng nhanh, có nghĩa chúng ghi nhận nhanh biến thiên nhiệt độ xung quanh HÃy so sánh với xảy bạn đặt nhiệt kế (một thiết bị thích ứng chậm) v o tủ lạnh khoảng v sau lấy Mặc dù phòng bếp bạn có lẽ ấm nhiều so với bên tủ lạnh bạn, phải số phút tr ớc đo đ ợc nhiệt độ phòng Khi thích ứng chậm l vấn đề, nhiệt kế l dụng ho n to n chấp nhận đ ợc Các điện nhiệt kế dụng cụ thích ứng nhanh phải đ ợc dùng tình diễn biến đổi nhiệt độ nhanh Các trạm nghiên cứu thực nghiệm đo vận chuyển nhiệt v ẩn khí gần bề mặt đòi hỏi dụng cụ nh Những bóng vô tuyến thám không, gắn gộp nhiều dụng cụ thời tiết v o cầu, đòi hỏi dụng cụ thích ứng nhanh, chúng nâng lên nhanh không khí với đặc tr ng nhiệt độ thay đổi nhanh 3-3 Chuyên đề: Những đợt sóng nhiệt khắc nghiệt gần Những đợt sóng nhiệt mùa hè ho n to n l hoi miền tây n ớc Mỹ v Canađa Sím hay mn mäi ng êi ph¶i tr¶i qua mét đợt nhiệt độ cao không dễ chịu Nh ng đợt sóng nhiệt gây nên tình trạng bất lợi nhiều số ng y Một đợt sóng nhiệt tiếng v i thập niên gần l kiện t ơng đối ngắn, nh ng khắc nghiệt, xảy tháng năm 1995 trung phần phía bắc n ớc Mỹ Mặc dù nhiệt độ cao cực đoan đà xuất suốt từ vùng đồng lớn đến bờ Đại Tây D ơng, nh ng không đâu vấn đề lại căng thẳng nh Chicago, Illinois, nơi 525 ng ời bị chết nóng Tử nạn nặng nề l hậu kết hợp nhiệt độ cao (sân bay Midway đà ghi nhận đ ỵc nhiƯt ®é cao ch a tõng thÊy 41,1 oC (hay 106 oF)) v độ ẩm cao bất th ờng Nhiệt l ợng v độ ẩm đà kết hợp với để tạo nên nhiệt độ biểu kiến t ơng đ ơng 47oC Mặc dù nóng ban ng y khắc nghiệt đà gây nên đủ nỗi thống khổ cđa nã, ng êi ta cho r»ng nh©n tè quan trọng dẫn đến nhiều chết l nóng cực ®oan diƠn kh«ng ngõng, víi nhiƯt ®é biĨu kiÕn v ợt 31,5 oC gần 48 liên tục (Nghiên cứu cho điều kiện nh tạo mối nguy hiểm lớn so với thời kỳ nóng cực đoan ngắn) Bốn năm sau, năm 1999, đợt sóng nhiệt tháng khác xuất phần ba lÃnh thổ phía tây n ớc Mỹ Lại lần Illinois v o trung tâm tác động, với gi nửa số 232 tr ờng hợp tử vong khắp miền Trung Tây xảy Chicago Missouri l bang bị công nặng thứ hai, với 61 ca tử vong Trên to n vùng, điện đà diễn nhu cầu v ợt trội mức, đ ờng xá bị phong tỏa v hoa m u bị khô héo ngo i đồng Đến đầu tháng 8, nóng di chuyển phía đông tới bang ven bờ Đại Tây D ơng, phá vỡ nhiỊu kû lơc thêi tiÕt Charleston, South Carolina cã nhiƯt ®é cao ch a tõng gỈp 40,5 oC NhiƯt ®é cao 39,4 oC ë Augusta, Giorgia tiÕp diƠn s¸u ng y liên tục, kỷ lục đối http://www.ebook.edu.vn 115 với nhiệt độ cực đại ng y bị đạt v v ợt Rồi đến ng y 8/8 Raleigh-Durham, North Carolina phá mốc 100 oF (37,8 oC) tới lần thứ m êi mét mïa hÌ Êy MỈc dï tỉn thÊt ng ời không cao nh năm 1995 v 1999, song sóng nhiệt lớn năm 2000 v 2001 đà dẫn đến nhiều vụ tử nạn khắp miền nam v đông nam n ớc Mỹ Những sù kiÖn nh vËy l chøng cø quan träng r»ng gần phần ba vụ tử nạn trực tiếp liên quan tới kiện thời tiết Mỹ l hậu nhiệt độ cao cực đoan Thập niên 1990 thuộc loại nóng đáng nhớ so với thời kỳ khác lịch sử đ ợc ghi nhận Điều n y đặc biệt đáng ghi nhớ đề t i nóng lên khí hậu ng ời gây l chủ đề quan trọng nh khoa học v nh l m sách Vấn đề n y đ ợc xem xét tiếp ch ơng sau sách n y Các lều khí t ợng Bạn đà nghe câu nh sau đây: Nhiệt độ 100 độ bóng râm Đây l lời diễn đạt thông th ờng, nh ng l diễn đạt có lẽ bắt nguồn từ Bộ Bộ Cắt giảm công nhân viên chức, để biểu đạt nghĩa, nhiệt độ phải luôn đ ợc đo bóng râm Một nhiệt kế đặt lộ ánh sáng trực tiếp bị nóng lên hấp thơ bøc x¹ tíi v nã chÊp nhËn mét nhiƯt độ cao nhiệt độ không khí Nh ng truy vấn tới nhiệt độ không khí, thực quan tâm tới nhiệt độ không khí - nhiệt độ nhiệt kế Kết l , dụng cụ đo nhiệt độ phải luôn giữ lều giống nh lều hình 3.24 Hình 3.24 Các dụng cụ nhiệt độ phải giữ lều bảo vệ chúng khỏi hấp thụ xạ Mặt Trời L u ý buồng đ ợc sơn m u trắng, có khe hở cho không khí l u thông v có cửa cạnh phía bắc (ở Bắc bán cầu) Vì lều khí t ợng đ ợc thiết kế để l m giảm ảnh h ởng xạ tới dụng cụ, nên phải đáp ứng tiêu chuẩn thiết kế định Lều phải đ ợc sơn m u trắng cho albeđô phải cực đại v l m giảm hấp thụ xạ Nó phải có cạnh gồm nhiều khe hở l t ờng kín phÐp kh«ng khÝ l u th«ng tù v loại bỏ nhiệt l ợng ngẫu nhiên tích lũy bên Cánh cửa phải gắn cạnh phía bắc buồng (ở Bắc bán cầu) cho ánh sáng trực tiếp không chiếu v o c¸c dơng nÕu cưa më v o thêi gian ng y Cuối cùng, lều phải đ ợc bố trí độ cao chuẩn hóa cho nhiệt 116 http://www.ebook.edu.vn kế đ ợc gắn 1,52 m bên mặt đất Mỹ, nhiệt độ đ ợc đo văn phòng Cơ quan Thêi tiÕt Qc gia v c¸c chi nh¸nh cđa Cơ quan H ng không Liên bang (FAA) sân bay n ớc Mạng l ới quan trắc n y đ ợc bổ sung nhiều quan hợp tác (nh trạm Cơ quan Quản lý Rừng Hoa Kỳ) v nh tự nguyện Tại trạm hợp tác, quan trắc đ ợc thực hai lần ng y; th ờng v o sáng sớm v buổi chiều Cơ quan Môi tr ờng Canađa chịu trách nhiệm thu thập liệu nhiệt độ Canađa Các giá trị trung bình v biên độ nhiệt độ Trong hầu hết tất lĩnh vực đời sống h ng ng y, sử dụng đặc tr ng thống kê mô tả để nói thứ xảy xung quanh Mặc dù khái niệm giá trị đ ợc lấy trung bình, hay giá trị trung bình đơn giản, nh ng áp dụng khái niệm n y kéo theo phức tạp Chẳng hạn, xác định nhiệt độ trung bình ng y nảy sinh vấn đề nan giải - xác lần ng y phải đo nhiệt độ để có đ ợc giá trị trung bình đúng? Chúng ta thực quan trắc giờ, phút, hay chí giây, ph ơng pháp cho giá trị khác biệt Hình 3.25 Đ ờng cong liên tục nhiệt độ thời gian 24 với bầu trời quang mây L u ý nhiệt độ gần với cực đại khoảng thời gian t ơng đối ngắn Trái lại, nhiệt độ không khí gần với cực tiểu ng y gần nh suốt đêm Thủ tục chuẩn đơn giản - trung bình ng y đ ợc định nghĩa nh l trung bình nhiệt độ cực đại v cùc tiĨu cđa mét ng y ¦u viƯt cđa ph ơng pháp n y l trung bình ng y nhận đ ợc chí trạm thời tiết có thiết bị nhất; nhiÖt kÕ tèi thÊp v mét nhiÖt kÕ tèi cao l tất cần để tính nhiệt độ trung bình ng y Nh ợc điểm việc sử dụng nhiệt độ tối thấp v tối cao l chỗ sinh độ chệch HÃy quan sát tình nhiệt độ ng y ®èi víi mét ng y thĨ ® ỵc biĨu diễn hình 3.25 L u ý nhiệt độ thời gian ban đêm giữ nguyên gần giá trị cực tiểu suốt phần lớn đêm, nhiệt độ buổi chiều gần với cực đại Ýt giê NÕu nh chóng ta nhËn mét trung bình ng y cách lấy tổng 24 quan trắc cách v chia cho 24, http://www.ebook.edu.vn 117 giá trị trung bình bị thấp so với giá trị nhận đ ợc cách sử dụng nhiệt độ cực tiểu v cực đại Nói cách khác, kết tính bị chệch Tuy nhiên, lấy trung bình nhiệt độ cực đại v cực tiểu l ph ơng pháp đ ợc chấp nhận để nhận nhiệt độ trung bình ng y Biên độ nhiệt độ ng y đ ợc nhận cách đơn giản trừ nhiệt độ cực đại cho nhiệt độ cực tiểu Khi đà nhận đ ợc nhiệt độ trung bình ng y cho to n tháng, tính nhiệt độ trung bình tháng đơn giản cách lấy tổng trung bình ng y v chia cho số ng y tháng Một cách t ơng tự, nhiệt độ trung bình năm nhận đ ợc tổng trung bình tháng năm chia cho 12 Biên độ năm nhận đ ợc nh l hiệu nhiệt độ trung bình tháng cao v thấp 3-4 Dự báo: Các hiệu ứng thảm mây v tốc độ gió nhiệt độ Thảm mây v tốc độ gió l hai thị sáng giá việc dự báo nhiệt độ cực đại v cực tiểu Thảm có tác động rõ rệt việc l m giảm l ợng xạ Mặt Trời m mặt đất nhận đ ợc, l m suy yếu trình nung nóng ban ng y Nh ng điều kiện mây dầy đặc l m chậm trình xạ sóng d i ban đêm, giữ cho nhiệt độ ban đêm cao so với lẽ phải có Nh thảm mây d y v ổn định có xu h ớng l m giảm biên độ nhiệt độ ng y Gió lớn l m giảm biên độ nhiệt độ ng y Nhớ lại tốc độ gió c ng cao tạo chuyển động rối c ỡng c ng mạnh Khi rối phát triển, chuyển động thẳng đứng tăng c ờng l m phận không khí n o trực tiếp tiếp xúc với mặt đất nhanh chóng di chuyển lên v đ ợc thay phận khác Kết l nhiệt l ợng vận chuyển từ bề mặt đất đ ợc phân phối cho khối l ợng không khí lớn hơn, điều n y l m giảm tăng nhiệt độ gần bề mặt (Gió mạnh không l m chậm tốc độ nung nóng, l m không khí có cảm giác lạnh nhiệt độ cụ thể, nh xem xÐt sau ë 118 ch ¬ng n y) Quá trình t ơng tự xảy v o ban đêm để cản trở nguội lạnh Nếu đối l u c ỡng xảy mạnh, không phận không khí n o giữ đ ợc nguyên trạng tiếp xúc với bề mặt lạnh đủ lâu để bị lạnh đáng kể Nếu đối l u c ỡng bức, lớp mỏng không khí bị l m lạnh khoảng thời gian d i v nhiệt độ hạ nhanh Dữ liệu d ới từ sân bay Midway, Chicago ng y 25-26/10/2001 cho thấy thảm mây d y đặc v gió lớn ngăn cản biến đổi nhiệt độ cách hữu hiệu Thời gian Nhiệt độ (oC) Giã (dỈm/h) A.M A.M A.M A.M A.M A.M A.M A.M A.M 12 A.M 11 P.M 10 P.M P.M 3,3 3,3 3,3 3,3 3,3 3,3 3,3 3,3 3,3 3,3 3,9 3,9 5,0 WNW 23 W 18 W 20 W 23 W 20 W 21 W 20 W 17 W 21 W 24 W 26 WNW 26 W 16 Trong tr êng hợp n y, hiệu ứng kết hợp thảm mây v gió mạnh cho phép hạ nhiệt độ 1,7 oC chiều v sáng Thí dụ n y minh họa nh khí t ợng tính tới vai trò thảm mây v gió phát dự báo http://www.ebook.edu.vn Những cực trị to n cầu ấn t ợng so với nhiệt độ trung bình l giá trị cực đại v cực tiểu đà ghi nhận đ ợc Không bất ngờ, giá trị có xu h ớng xuất địa ph ơng lục địa Nhiệt độ cao ghi nhận đ ợc Bắc Mỹ l Death Valley, California Death Valley cách Thái Bình D ơng v i trăm kilômét, nh ng dÃy núi Siera Nevada l m th nh chắn cản trở ảnh h ởng l m ôn hòa đại d ơng Vị trí Death Valley thấp mực n íc biĨn v th¶m thùc vËt th a thít tiếp tục tạo thuận lợi cho nhiệt độ cao Ng y 10/7/1913, mét nhiƯt ®é ch a tõng thÊy 57 oC (134 oF) đà đ ợc ghi nhận Nhiệt ®é quan tr¾c cao nhÊt thÕ giíi l 58 oC (136 oF) Azizia, Libi Nhiệt độ thấp ghi nhận đ ợc đà xuất Trạm nghiên cứu Ph ơng Đông Nam Cực v o năm 1983 với số đo -89 oC (-129 oF) Trạm nghiên cứu n y nằm đỉnh cao h ng nghìn mét núi băng, kết hợp hiệu ứng vĩ độ cao, vị trí lục địa v khí loÃng Bắc Mỹ nhiệt độ thấp kỷ lục -63 oC (-81 oF) đà đ ợc quan trắc Shag, Yukon v o tháng năm 1947 Chắc chắn rằng, nhiệt độ cực đoan đà xuất địa cầu v Bắc Mỹ địa ph ơng trạm quan trắc nhiƯt ®é NhiƯt ®é v tiƯn nghi cđa ng ời Nhiệt độ tự có ảnh h ởng tíi nh÷ng tiƯn nghi cđa ng êi, nh ng bất lợi nhiệt độ cao thấp gây nên kết hợp với yếu tố thời tiết khác Nếu nhiệt độ thấp kèm theo điều kiƯn giã lín, c¬ thĨ ng êi mÊt nhiƯt nhanh so với điều kiện lặng gió, l trình nhiệt l ợng tăng lên Vậy mét ng y giã lín víi nhiƯt ®é -2 oC gây cảm giác lạnh ng y lặng gió v -40 oC Kết l nhiệt độ thấp, thông báo thời tiết th ờng phải cho biết nhiệt độ thực v nhiệt độ đ ợc cảm giác lạnh sao, số nhiệt độ lạnh gió (hay đơn giản nhiệt ®é l¹nh giã) ChØ sè nhiƯt ®é l¹nh gió sớm nghiên cứu nhiệt độ thấp thực Nam Cực năm 1945 Mặc dù nghiên cứu ban đầu ch a nhằm xác định ảnh h ởng kết hợp gió v nhiệt độ thÊp ®èi víi ng êi, nh ng chØ sè rút từ công trình n y đà đ ợc dùng rộng rÃi nửa kỉ Tuy nhiên, nh khí t ợng học Canađa v Mỹ đà nhận nh ợc điểm định số n y - nh ợc điểm bật l không xác! Những ng ời sống môi tr ờng lạnh đà đủ quen với nhiệt độ thấp để biết trị số lạnh gió đ ợc đề không mô tả xác đ ợc chúng đ ợc cảm giác thực lạnh nh n o Vì vậy, nh nghiên cứu Cơ quan Thời tiết Quốc gia v Cơ quan Khí t ợng Canađa đà phối hợp nỗ lực v v o tháng 11 năm 2001 ® a mét chØ sè l¹nh giã míi, dựa kết thử nghiệm ng ời tình nguyện Sáu ng ời đ n ông v sáu ng ời đ n b đà thực 90 phút điều kiện nhiệt độ v gió đ ợc kiểm soát Bốn cảm biến nhiệt độ loại dùng ngo i đ ợc gắn lên mặt tình nguyện viên để xác định l ợng nhiệt bề mặt Một máy đo nhiệt độ bổ sung đà đ ợc g i v o bên gò má ng ời tham http://www.ebook.edu.vn 119 dự để xác định građien nhiệt độ mặt ngo i da v bên miệng, v máy nội soi nhỏ đà đ ợc dùng để theo dõi nhiệt độ nội tạng thể ng ời Những quan sát truyền nhiệt từ v phạm vi thể đối t ợng đà giúp cho nh nghiên cứu tính đ ợc tốc độ lạnh theo tốc độ gió khác Bảng 3.1 thể biểu lạnh gió dựa thực nghiệm Chỉ số nhiệt độ lạnh gió có trị số khác với giá trị số nguyên gốc - th ờng lạnh gió khắc nghiệt so với đà nhận đ ợc theo công thức cũ Thí dụ, mét nhiƯt ®é -15 oC v tèc ®é giã 65 km/h, công thức cũ đ a số nhiệt độ lạnh gió l -43 oC Trong ®iỊu kiƯn, chØ sè míi cho -30 oC, tøc cao hẳn 13 oC so với giá trị công thức cũ Mặc dù có cải tiến công thức mới, nh ợc điểm Chẳng hạn, hiệu ứng l m nóng tiềm ánh sáng Mặt Trời thể ng ời ch a đ ợc tính tới tính toán lạnh gió Mặc dù vậy, số cung cấp dẫn cho ng ời cách họ nên dùng quần áo v loại hoạt động họ thực điều kiện lạnh v gió lớn Điều n y đặc biệt quan trọng ng ời ta xem lạnh cực đoan l nguyên nhân số tử nạn trực tiếp liên quan tới thời tiết Đúng nh ®iỊu kiƯn giã lín cã thĨ l m cho nhiệt độ thấp cảm giác trở th nh lạnh hơn, ®é Èm cao cã thĨ l m cho nh÷ng ng y ấm áp đ ợc cảm giác th nh ng y nóng ngột ngạt Kết l số nóng đà đ ợc tính toán, kết hợp đ ợc hiệu ứng độ ẩm khí cao nhiệt độ cao Chỉ số n y đ ợc thảo luận ch ơng độ ẩm khí Bảng 3.1 Nhiệt độ lạnh gió (oC) Giã (km/h) 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 120 NhiƯt ®é (oC) -5 1 0 -1 -1 -1 -2 -2 -2 -2 -3 -3 -2 -3 -4 -5 -6 -7 -7 -7 -8 -8 -9 -9 -9 -9 -10 -10 -7 -9 -11 -12 -12 -13 -14 -14 -15 -15 -15 -16 -16 -16 -17 -17 -10 -13 -15 -17 -18 -19 -20 -20 -21 -21 -22 -22 -23 -23 -23 -24 -24 -15 -19 -21 -23 -24 -25 -26 -27 -27 -28 -29 -29 -30 -30 -30 -31 -31 -20 -24 -27 -29 -31 -32 -33 -33 -34 -35 -35 -36 -37 -37 -37 -38 -38 http://www.ebook.edu.vn -25 -30 -33 -35 -37 -38 -39 -40 -41 -42 -42 -43 -43 -44 -44 -45 -45 -30 -36 -39 -41 -43 -45 -46 -47 -48 -48 -49 -50 -50 -51 -51 -52 -52 -35 -41 -45 -48 -49 -51 -52 -53 -54 -55 -56 -57 -57 -58 -59 -59 -60 -40 -47 -51 -54 -56 -57 -59 -60 -61 -62 -63 -63 -64 -65 -66 -66 -67 BiĨu ®å nhiƯt ®éng lùc v trắc diện nhiệt độ thẳng đứng Phân bố nhiệt độ bề mặt Trái Đất l hợp phần thời tiết h ng ng y Nh ng biến thiên nhiệt độ không xảy theo ph ơng ngang; nhiệt độ biến đổi theo chiều thẳng đứng v biến đổi ¶nh h ëng rÊt lín tíi h nh vi cđa khí Thí dụ, tình giảm nhanh theo độ cao l m tăng tiềm phát triển mây v chí giông sét Các nghịch nhiệt (tăng nhiệt độ theo độ cao) có tác động khí quyển, kể cản trở trình xáo trén khÝ qun, cã thĨ l m cho nh÷ng chÊt ô nhiễm không khí tập trung gần bề mặt Các biểu đồ nhiệt động lực Các biểu đồ nhiệt động lực thể trắc diện thẳng đứng nhiệt độ v độ ẩm theo độ cao bên bề mặt, cung cấp thông tin quan trọng cho dự báo viên Những đồ thị n y giúp ng ời dự báo xác định độ cao v độ d y mây tồn v mức độ thuận lợi m không khí xáo trộn ph ơng thẳng đứng (một cân nhắc quan trọng phát triển tới mây v m a) Dữ liệu đồ thị thu đ ợc từ tập hợp dụng cụ quan trắc gắn cầu thời tiết, gọi l bóng thám không vô tuyến, thả lên khí hai lần ng y trạm thời tiết khắp giới Mặc dù giá trị, để hiểu đ ợc biểu đồ nhiệt động lực đơn giản, ngo i mét sè th«ng tin m ng êi ta cã thĨ nhận đ ợc từ chúng v ợt khỏi tầm sách n y Do đó, thay cố gắng trình b y tất dẫn đầy đủ sử dụng đồ thị n y, giới thiệu yếu tố khác biểu đồ nhiệt động lực n o liên quan tới vấn đề b n luận sách n y Dần dần bạn thấy ®å thÞ ®ã quan träng nh thÕ n o ®èi với việc dự báo h ng ng y Bây xem xét đ ờng cong trắc diện nhiệt độ thẳng đứng đồ thị Điều n y cung cấp sở để hiểu tiếp ch ơng sau Các biểu đồ nhiệt động lực có số phiên Phiên sớm đ ợc dùng l biểu đồ Stuve (một phiên đơn giản đ ợc biểu diễn hình 3.26) Biểu đồ Stuve bắt đầu với l ới hình chữ nhật, nhiệt độ đ ợc ghi trục ngang v áp suất trục đứng Ba điều cần phải l u ý từ đầu: Thứ nhất, biểu ®å cho phÐp chóng ta vÏ nhiƯt ®é nh mét h m mực áp suất - độ cao bên bề mặt (độ cao mực ¸p st thĨ - nh mùc 500 mb - l số, m biến đổi thời gian v từ địa ph ơng n y tới địa ph ơng khác) Quy định n y cho phép áp dụng định luật khí t ợng học cách trực tiếp so với đồ thị nhiệt độ theo độ cao cho phép (Để tham chiếu, độ cao trung bình số mực áp suất th ờng đ ợc ghi dọc theo trục đứng bên trái biểu đồ) Thứ hai, bạn nên l u ý áp suất giảm phía dọc theo trục đứng Điều n y phù hợp với thực tế l áp suất khí giảm đơn ®iƯu theo ®é cao kĨ tõ bỊ mỈt Ci cïng, bạn nên nhận thấy áp suất không biểu diễn thang tuyến tính Trái lại, trục áp suất đ ợc vẽ thang tựa logarit đ ờng 1000 mb v 900 mb gần so với đ ờng 300 mb v 200 mb §iỊu n y pháng theo c¸i c¸ch m ¸p st thực tế giảm khí thực http://www.ebook.edu.vn 121 Hình 3.26 Biểu đồ Stuve đơn giản hóa, biểu diễn trắc diƯn nhiƯt ®é cđa Slidell, Louisiana,12 h GMT (07 h CDT), ng y 9/6/2002 H·y nh×n v o thÝ dơ hình 3.26 Đồ thị nhiệt độ đ ợc dựa số liệu bóng thám không thả Slidell, Louisina, 12 Greenwich, ng y 9/6/2002 Quan trắc đ ợc thực 52 mực từ bề mặt đến mực 100 mb (trong bình l u quyển) Dữ liệu đ ợc ghi d ới dạng văn bản, tiện lợi cho quan sát chi tiết v sau đ ợc vẽ tự động lên biểu đồ Stuve Tại bề mặt, áp suất không khí l 1015 mb v nhiệt độ l 22,8 oC Khi bóng thám không bắt đầu bay lên từ bề mặt, ghi nhận nhiệt độ tăng - nghịch nhiệt - lên tới mực áp st 988 mb (trong tr êng hỵp n y l 238 m bên bề mặt) Tại đỉnh nghịch nhiƯt, nhiƯt ®é l 25,0 oC, hay 2,2 oC nãng so với bề mặt Những nghịch nhiệt gần bề mặt đất nh phổ biến v o ban đêm v sáng sớm xạ sóng d i (các nghịch nhiệt đà đ ợc xét cách ngắn gọn ch ơng n y - trở lại vấn đề n y cách chi tiết nhiều ch ơng 6) Bên lớp nghịch nhiệt, nhiệt độ giảm phù hợp với độ cao khoảng mực 140 mb (ở khoảng 14,7 km bên mực n ớc biển), nơi nhiệt độ không khí trở th nh gần nh không đổi theo độ cao -70 oC Điểm m nhiệt độ không khí không giảm theo độ cao đánh dấu đối l u m đà mô tả ch ơng Tóm tắt Tất biết nguồn l ợng nguyên sinh cho tất trình khí l l ợng Mặt Trời Nh ng phần lớn l ợng đ ợc phân phát cho khí cách không trực tiếp Ch ơng n y tr ớc hết mô tả trình diễn xạ Mặt Trời (bức xạ tới) qua khí Phần lớn xạ cực tím bị hấp thụ ôzôn bình l u v nhiều xạ cận hồng ngoại bị hấp thụ đối l u n ớc v chất khí khác Quá trình tản mát, phía tr ớc v ng ợc lại, l m suy giảm c ờng độ xạ trực tiếp 122 http://www.ebook.edu.vn đạt tới bề mặt Sau tÝnh tíi sù hÊp thơ khÝ qun v tán xạ ng ợc lại v o vũ trụ, nửa xạ tới khả Mặt Trời đạt tới bề mặt, số lại bị phản trở lại v phần lại đ ợc hấp thụ Hấp thụ đ ợc xạ Mặt Trời, bề mặt v khí phát xạ l ợng sóng d i Kết cuối trình vận chuyển xạ Mặt Trời v sóng d i l bề mặt có d l ợng xạ thuần, khí có l ợng thâm hụt Thâm hụt xạ khí v d l ợng bề mặt đ ợc bù trừ hai chế vận chuyển nhiệt l ợng khác: truyền dẫn v đối l u Truyền dẫn vận chuyển l ợng qua lớp không khí cực mỏng tiếp xúc với bề mặt, đối l u phân bố nhiệt l ợng v ẩn từ gần bề mặt lên khu vực cao khí L ợng l ợng hệ thống Trái Đất nhận đ ợc không tất vĩ độ Những vùng gần xích đạo nhận d l ợng l ợng, vùng phía cực có thâm hụt l ợng Sự phân bố l ợng không đ ợc bù trừ nhờ vận chuyển l ợng kinh h ớng chuyển động gió v hải l u đại d ơng Hệ bật trực tiếp biến thiên không gian l ợng hÊp thơ l sù ¶nh h ëng cđa nã tíi nhiệt độ to n cầu Ch ơng n y xem xét số khía cạnh nhiệt độ không khí, kể phân bố to n cầu trung bình v nhân tố địa lý định đặc điểm nhiệt độ địa ph ơng Chúng ta đà xem xét ph ơng pháp đo nhiệt ®é v tỉng quan thèng kª vỊ nhiƯt ®é, giíi thiệu số nhiệt độ lạnh gió Ch ¬ng n y kÕt thóc b»ng viƯc giíi thiƯu biĨu đồ nhiệt động lực, công cụ giá trị để phân tích v dự báo thời tiết Tiếp theo, chóng ta trë l¹i mét u tè quan träng khí t ợng học - áp suất khí Câu hỏi ôn tập Giải thích hấp thụ v tản mát xạ khí ảnh h ởng nh n o tới trình nhận xạ Mặt Trời bề mặt Hai chất khÝ n o hÊp thơ bøc x¹ sãng d i hiệu nhất? Phản xạ g ơng v phản xạ phân tán khác nh n o? Thuật ngữ albeđô có nghĩa l gì? Những đặc điểm n o tán xạ Rayleigh l m cho tạo nên bầu trời xanh lam? Những thuộc tính n o tán xạ Mie l m cho khác biệt với tán xạ Rayleigh? Vì ng y trời đầy mây th ờng m u xám? Trị số albeđô h nh tinh Trái Đất bao nhiêu? Loại tán xạ n o góp phần v o albeđô h nh tinh Trái Đất? 10 HÃy mô tả định l ợng xạ Mặt Trời bị hấp thụ v phản xạ khí v bề mặt Trái Đất 11 Cưa sỉ khÝ qun l g×? 12 V× sÏ l không nói xạ sóng d i nhảy tới nhảy lui http://www.ebook.edu.vn 123 mây v bề mặt? 13 Giải thích xạ đến v hệ thống Trái Đất (bức xạ v o v khỏi đỉnh khí quyển) phải b»ng 14 Sù trun dÉn v sù ®èi l u tác động nh nhiệt lên trên? n o để vận chuyển 15 Khác đối l u tù v ®èi l u c ìng l gì? 16 HÃy mô tả nhiệt l ợng v ẩn 17 L ợng nhập xạ v l ợng xuất xạ biến đổi theo vĩ độ nh n o? 18 Hai trình n o vận chuyển l ợng từ vùng nhận d xạ tới vùng thâm hụt xạ? 19 Vì thuật ngữ hiệu ứng nh kính diễn tả không xác khí bị nung nóng nh n o? 20 HÃy xem xét nhân tố địa lý nh vĩ độ v độ cao ảnh h ởng tới phân bố nhiệt độ bề mặt Trái Đất nh n o 21 Các dụng cụ ®Ĩ quan tr¾c nhiƯt ®é l m viƯc nh thÕ n o? 22 Những nhiệt độ trung bình ng y, tháng v năm đ ợc tính nh n o từ nhiệt độ quan trắc? Phân tích số nhân tố l m chệch giá trị tính toán 23 HÃy mô tả thang ngang v thẳng đứng biểu đồ Stuve Nhận xét suy luận Bức xạ sóng d i ngắn chịu tán xạ Rayleigh nhiều so với xạ sóng d i d i HÃy giải thích điều n y định tầm quan trọng việc quay mặt trực tiếp phía Mặt Trời bạn muốn trì tắm nắng th ờng xuyên cho da Thậm chí ng y nhiều mây phơi nắng thái dẫn đến nguy bỏng da Điều n y ngụ ý tới hiệu ứng mây xạ cực tím? Các vùng hoang mạc th ờng đ ợc chụp ảnh với thời khắc ho ng hôn ngoạn mục Bạn nêu lý th ờng hay có bầu trời lóe sáng đặc biệt v o lóc chiỊu tèi M¾t chóng ta chØ cảm nhận đ ợc b ớc sóng 0,4 v 0,7 m Bầu trời v o ng y quang mây có khác không, nh mắt cảm nhận đ ỵc nh÷ng b íc sãng gi÷a 0,2 v 0,4 μ m ? Tỉ lệ xạ tán xạ v xạ trực tiếp cảm nhận đ ợc thay ®ỉi nh thÕ n o? B¹n cã cho r»ng Bắc bán cầu v Nam bán cầu có albeđô trung bình không? Những nhân tố n o l m cho hai bán cầu phản xạ trở lại vũ trụ tỉ lệ xạ tới khác nhau? Sự tan chảy tuyết th ờng xảy nhanh khu vực rừng bên cạnh 124 http://www.ebook.edu.vn cối l khoảng trống gần Loại trình vận chuyển l ỵng n o cã thĨ dÉn tíi hiƯu øng n y? Các giá trị xạ mïa hÌ ë c¸c khu vùc rõng cã thĨ cao so với khu vực hoang mạc, nhiệt độ hoang mạc cao Vì nh vËy? TØ sè gi÷a mÊt nhiƯt hiƯn v mÊt nhiệt ẩn từ bề mặt đ ợc gọi l tỉ số Bowen Bạn cho tỉ số Bowen khác cảnh quan hoang mạc, rừng v đô thị nh n o? Mây l m giảm l ợng xạ tới đạt tới bề mặt Trái Đất, nh ng mây l m giảm l ợng xạ sóng d i từ bề mặt thoát v o không gian Điều ảnh h ởng tới nhiệt ®é tèi cao v tèi thÊp nh thÕ n o? Bạn có cho tất loại mây tạo hiệu ứng t ơng tự? 10 Hình 3.16 biểu diễn phân bố trung bình hải l u Ng êi ta tin r»ng, sù biÕn ®ỉi khí hậu thông qua nhiều chế khác gây nên di dịch vị trí số dòng chảy đại d ơng Bạn khu vực đất liền m khí hậu nhạy cảm để l m di dịch dòng chảy đại d ơng gần không? Có địa ph ơng n o m khí hậu lạnh chí nhiệt độ trung bình to n cầu nóng lên không? 11 Các lều khí t ợng bảo vệ nhiệt kế khỏi bị tác động l m nóng lên ánh sáng Mặt Trời hấp thụ Có không nói lều bảo vệ nhiệt kế khỏi bị hiệu ứng l m lạnh gió? 12 Một nông dân trồng ăn nghe dự báo thời tiết nhiệt độ thấp đêm v o khoảng bên điểm đóng băng oC (32 oF), nh ng với nhiệt độ lạnh gió hạ thấp cách đáng kể Lạnh gió có l m tăng nguy s ơng muối phá hủy không? Có không sao? B i tập luyện V o trang http://rredc.nrel.gov/solar/old_data/nsrdb/redbook/atlas/ Chọn xạ Mặt Trời trung bình l m kiểu liệu v chọn hộp thoại Horizontal Flat Plate l m mode định h ớng dụng cụ Kiểm tra đồ xạ Mặt Trời trung bình tháng 1, 4, v 10 HÃy mô tả đồ Theo bạn t ơng quan vị trí Trái Đất - Mặt Trời ¶nh h ëng tíi ph©n bè v hiƯu øng cđa thảm mây v yếu tố thời tiết khác có møc ®é nh thÕ n o? V o trang http://earthobservatory.nasa.gov/Observatory/datasets/netflux erbe.html v quan sát di dịch mùa xạ bề mặt v khí Đặc điểm trội l gì? Có khác biệt đáng kể khối lục địa v đại d ơng lân cận? Nhiệt l ợng Èn cđa n íc l 500 000 J/kg v nhiƯt dung riªng cđa n íc l 4190 J/(kg.oC) ChÊp nhận kg n ớc bắt đầu với nhiệt độ 20 oC HÃy so sánh l ợng l ợng cần để l m nóng n ớc tới điểm sôi với l ợng l ợng cần để l m bay l ợng n ớc http://www.ebook.edu.vn 125 Xem đồ nhiệt độ tối thấp trung bình tháng v nhiệt độ tối cao trung bình tháng trang http://www.climatesource.com/map_ga llery.html HÃy đánh giá tầm quan trọng t ơng đối vĩ độ, độ cao, tính lục địa, dòng chảy đại d ơng v điều kiện địa ph ơng tới phân bố Các trang Web hữu ích http://rredc.nrel.gov/solar/old_data/nsrdb/redbook/atlas/ Cung cấp đồ tháng v năm xạ Mặt Trời to n n ớc Mỹ http://earthobservatory.nasa.gov/Observatory/datasets/netflux erbe.html Cho phép bạn quan sát di dịch xạ thời kỳ nhiều năm Các đồ đồng thời song h nh với phân bố vật lý - sinh học khác (nh thực vật) to n cầu thấy chúng biến đổi nh n o theo xạ Các giá trị trung bình tháng xạ xem cách riêng lẻ nh l vòng lặp năm http://itg1.meteor.wisc.edu/wxwise/ museum/a2/a2net.html http://lwf.ncdc.noaa.gov/oa/climate/severeweather/temperatures.html Các đồ mẫu nhiệt độ Mỹ Còn chứa nhiều báo cáo ®iỊu kiƯn nhiƯt ®é http://www.ems.psu.edu/wx/usstats/uswxstats.html Chøa mét sè b¶n ®å lý thú, nh phân bố nhiệt ®é trªn 48 bang ranh giíi kÕ cËn cđa n ớc Mỹ Ngo i cung cấp nhiệt độ v giá trị khác lấy trung bình trªn 48 bang ranh giíi kÕ cËn http://www.srh.noaa.gov/FTPROOT/FFC/html/metcalc.shtml Cung cÊp số nhiệt độ lạnh gió v phần mềm chun ®ỉi 126 http://www.ebook.edu.vn ... -2 -2 -2 -3 -3 -2 -3 -4 -5 -6 -7 -7 -7 -8 -8 -9 -9 -9 -9 -1 0 -1 0 -7 -9 -1 1 -1 2 -1 2 -1 3 -1 4 -1 4 -1 5 -1 5 -1 5 -1 6 -1 6 -1 6 -1 7 -1 7 -1 0 -1 3 -1 5 -1 7 -1 8 -1 9 -2 0 -2 0 -2 1 -2 1 -2 2 -2 2 -2 3 -2 3 -2 3 -2 4 -2 4... -2 4 -1 5 -1 9 -2 1 -2 3 -2 4 -2 5 -2 6 -2 7 -2 7 -2 8 -2 9 -2 9 -3 0 -3 0 -3 0 -3 1 -3 1 -2 0 -2 4 -2 7 -2 9 -3 1 -3 2 -3 3 -3 3 -3 4 -3 5 -3 5 -3 6 -3 7 -3 7 -3 7 -3 8 -3 8 http://www.ebook.edu.vn -2 5 -3 0 -3 3 -3 5 -3 7 -3 8 -3 9 -4 0... -4 0 -4 1 -4 2 -4 2 -4 3 -4 3 -4 4 -4 4 -4 5 -4 5 -3 0 -3 6 -3 9 -4 1 -4 3 -4 5 -4 6 -4 7 -4 8 -4 8 -4 9 -5 0 -5 0 -5 1 -5 1 -5 2 -5 2 -3 5 -4 1 -4 5 -4 8 -4 9 -5 1 -5 2 -5 3 -5 4 -5 5 -5 6 -5 7 -5 7 -5 8 -5 9 -5 9 -6 0 -4 0 -4 7 -5 1 -5 4 -5 6