Chương 3: NƯỚC TRONG KHÍ QUYỂN Mưa bốc hai trình quan trọng số trình khí tượng liên tục xảy không khí 3.1 LUÂN CHUYỂN CỦA KHÔNG KHÍ Trái đất liên tục tiếp nhận nhiệt từ mặt trời qua xạ mặt trời phát nhiệt trở lại không gian qua xạ phản hồi Các trình cân suất trung bình 210 W/m2 Tuy nhiên, xích đạo, mức thu nhận bầu không khí cao (khoảng 270 W/m2) tia xạ gần thẳng góc với mặt đất Còn hai cực, mức thu nhận thấp (90 W/m2 ) góc xạ nhỏ Do có không cân vậy, có vận chuyển lượng (nhiệt năng) từ xích đạo đến đòa cực theo mức trung bình khoảng 4.109 MW Nếu xem trái đất cầu cố đònh Ở vùng xích đạo, nóng nên luồng khí bốc lên cao hơn, di chuyển tầng cao khí cực, gặp lạnh, luồng khí hạ xuống thấp quay ngược trở xích đạo tạo thành hoàn lưu hành tinh không quay Sự luân chuyển gọi luân chuyển Hadley Chuyển động quay từ Tây sang Đông trái đất tạo lực phụ Coriolic (lực hai lần tích hữu hướng hai véc tor vận tốc dòng khí u vector vận tốc quay trái đất ω: Fc = 2u^ ω , hướng Fc xác đònh theo quy tắc bàn tay phải) làm cho luân chuyển Hadley bò thay đổi Tại xích đạo, có vòng đai khí xung quanh di chuyển phía cực, ảnh hưởng lực Coriolic Fc , luồng không khí chuyển động lệch bên phải (nếu Bắc bán cầu, hay bên trái (nếu Nam bán cầu) so với chiều dọc theo vector u Kết ảnh hưởng xuất luồng gió hướng Tây (gió hướng Tây luồng gió từ hướng Tây thổi đến) Ởû vùng gần xích đạo: Bắc bán cầu có gió theo hướng Tây Nam, ví dụ nước ta có gió mùa Tây Nam (từ hướng Tây Nam thổi lên), Nam bán cầu, gió theo hướng Tây Bắc Ngược lại, khối khí lạnh từ cực di chuyển xích đạo, ảnh hưởng lực Coriorlic, khối khí di chuyển lệch bên phải (ở Bắc bán cầu), hay bên trái (ở Nam bán cầu) Điều làm xuất luồng gió Đông vùng cực (còn vùng gần xích đạo: Đông Bắc Bắc bán cầu , Đông Nam Nam bán cầu) ω u* u Fc Fc u* u ω u* u Fc u 3.2 HƠI NƯỚC Fc u* Nước khí phần lớn tồn dạng khí chỗ thời gian tồn ngắn, sau đó, tùy điều kiện nhiệt độ áp suất, thành hạt nước dạng mưa rào, hạt nhỏ li ti dạng mây, hạt rắn dạng tuyết, mưa đá Lượng nước khí nhỏ (1/100000 tổng lượng nước) giữ vai trò quan trọng tuần hoàn thủy văn Ta dùng đònh lý vận tải Reynolds để mô tả vận chuyển nước qua không gian cố đònh W Gọi X khối lượng nước qua W, k X đơn vò khối lượng không khí ẩm; k độ ẩm riêng qv tính bằng: qv = ρv ρa (3.1) với ρv khối lượng riêng nước, ρa khối lượng riêng không khí ẩm Từ đònh luật bảo toàn khối lượng, ta có dX/dt=mv lưu lượng khối lượng nước thêm vào (mang dấu cộng, bốc hơi), hay bớt (mang dấu trừ, ngưng tụ) khoảng không gian W Ta có: mv = ∂ ∂t ∫∫∫ q vρa dw + ∫∫ q vρa VdA w (3.2) A 3.2.1 Áp suất nước: Đònh luật Dalton: Áp suất gây chất khí riêng phần độc lập với chất khí khác Gọi e áp suất nước, theo đònh luật chất khí lý tưởng, ta có: e=ρvRvT (3.3) Trong Rv số chất khí nước 3.2.2 Áp suất bão hoà es: Là áp suất nước không khí mà tốc độ bốc tốc độ ngưng tụ 3.2.3 Độ ẩm tương đối Rh: Là tỷ số áp suất có thực áp suất bão hoà Rh = e es (3.4) 3.2.4 Lượng nước tạo thành mưa: Lượng ẩm cột không khí gọi lượng nước tạo thành mưa Trong cột không khí có mặt cắt ngang A Xét vi phân thể tích dW=A.dz, có khối lượng :ρaAdz, khối lượng nước chứa là: ρvAdz = qvρaAdz Tổng lượng nước tạo mưa cột không khí có độ cao từ z1 đến z2 là: mp = Tính gần đúng: z2 ∫ q vρa Adz (3.5) Δm p = q v ρ a AΔz (3.6) z1 q v ; ρ a giá trò trung bình độ ẩm riêng khối lượng riêng không khí ẩm khoảng xét Tổng số gia Δmp toàn cột không khí cho ta tổng lượng nước mưa Ví dụ: tính lượng nước tạo mưa cột không khí bão hoà nước có chiều cao 10km diện tích 1m2 Áp suất không khí mặt đất 101,3Kpa, với nhiệt độ 300C Biết lên cao 1km nhiệt độ giảm 6,50C Giải: Để tính lượng nước mưa cho toàn cột khí 10km, ta chia nhỏ cột không khí làm đoạn theo z, đoạn cao 2km=2000m, ta tính riêng lượng nước mưa cho đoạn độ cao:Δmpi, sau cộng dồn lại: M=Σ(Δmpi) Trongcông thức (3.6) Δm p = q v ρ a AΔz , ta cần tính q v ρa Như vậy, ta cần tính giá trò qv ρv cho lớp chiều cao tương ứng (cho 0km, 2km, 4km, 6km, 8km, 10km) sau lấy giá trò trung bình: q v = (q i −1 + q i ) / tương tự tính cho giá trò trung bình ρ a Giá trò ρa tính từ phương trình trạng thái khí: p=ρaRaT Suy ra: ρa=p/RaT Với Ra=287 J/(kg.K), số khí ẩm Giá trò qv tính sau: qv=0,622(e/p) ⎛ 17, 27T ⎞ ⎟ ⎝ 237,3 + T ⎠ Trong e áp suất bão hoà: es = 611exp ⎜ Trong T tính C T nhiệt độ lớp độ cao tính toán, tính độ K p áp suấtä lớp độ cao tính toán, tính N/m2 Áp suất độ cao tương ứng z phụ thuộc vào độ cao, xác đònh nhờ vào phương trình trạng thái khí phương trình vi phân lưu chất tónh, gọi phương trình khí tónh: p i +1 ⎛T ⎞ = p i ⎜⎜ i +1 ⎟⎟ ⎝ Ti ⎠ g αR a đó: pi+1: áp suất lớp độ cao i+1, Pa pi: áp suất lớp độ cao i, Pa Ti+1: nhiệt độ lớp độ cao i+1, 0K Ti: nhiệt độ lớp độ cao i, 0K α: số =0,0065 T nhiệt độ lớp độ cao tính toán, tính độ K Ti+1=T1- α(Zi+1-Zi) Zi+1- cao độ lớp i+1 Zi – cao độ lớp i Các tính toán lập thành sau: 3.3 HIỆN TƯNG NƯỚC RƠI - MƯA Hiện tượng nước rơi bao gồm mưa, tuyết, trình nước rơi khác xuống mặt đất mưa đá, mưa tuyết Khi khối không khí ẩm bốc lên cao bầu khí nhiệt độ giảm đi, phần ẩm ngưng kết lại Có nhiều chế tạo chuyển động lên khối không khí: Bốc lên không khí hun nóng bốc lên, khối khí di chuyển qua đồi núi, chuyển động đối lưu Quá trình ngưng kết đòi hỏi phải có hạt nhân ngưng kết để phân tử nước bám chặt chung quanh (ví dụ hạt bụi lơ lửng) Đặc biệt hạt nhân có chứa ion (ví dụ hạt bụi muối biển bốc hơi) khiến cho phân tử nước dễ bám chặt chung quanh Các hạt nước nhỏ li ti lớn dần lên ngưng kết, đủ nặng, hạt rơi xuống thành mưa (trong trình rơi xuống, có khả bốc phần) Gieo hạt nhân ngưng kết nhân tạo vào đám mây làm cho nước dễ ngưng kết (ví dụ Iodur bạc, từ tạo mưa nhân tạo Hoặc ta tạo nắng mùa mưa để bầu trời khô dòp lễ hội cách gieo hạt nhân ion nặng, làm cho hạt nặng với kích thứơc nhỏ, trình rơi xuốâng bốc ngược lên, nên đất khô 3.4 LƯNG MƯA LƯU VỰC Để xác đònh lượng mưa trung bình khu vực có diện tích A, ta dùng phương pháp trung bình cộng: n P = ∑ Pi n i =1 (3.7) Pi lượng mưa trạm đo (mm) Ngoài người ta dùng phương pháp Thiessen: P = A n ∑ A iPi i =1 Trong Ai diện tích đa giác gán cho trạm đo, với A= n ∑ Ai i =1 3.5 BỐC HƠI Bao gồm bốc từ mặt thoáng nước, từ mặt đất, từ thực vật Tính toán bốc nhiều phương pháp: Cân lượng, khí động lực học, kết hợp hai phương pháp trên, Lượng bốc đặc trưng cường độ bốc E:là độ sâu cột nước (có diện tích ngang A) bốc đơn vò thời gian (mm/ngày)