http://www.ebook.edu.vn Phần 3 - Phân bố v} chuyển động của không khí Chơng 8 Hon lu khí quyển v phân bố áp suất Trong mùa hè năm 1999, những bộ phận rộng lớn ở miền đông nớc Mỹ v Canađa đã trải qua một số tuần rất nóng, nhiệt độ liên tục giữ cao hơn 38 o C. Nhiệt độ cao, cộng với ma ít, đã cng lm căng thẳng vấn đề thiếu nớc bắt đầu từ mùa hè khô năm 1998 (hình 8.1). Đến giữa năm 1999, phần lớn khu vực, nhất l những bang trung tâm phía Đại Tây Dơng, bị trong rơi vo tình trạng khô hạn tồi tệ nhất trong nhiều thập niên. Các dòng chảy sông v mực nớc hồ chứa cực thấp, buộc chính quyền một số bang phía đông phải công bố tình trạng khẩn cấp về khô hạn, cấm sử dụng nớc phí phạm nh tới vờn v rửa xe. Hình 8.1. Hoa mu bị khô héo do khô hạn kéo di Thiệt hại nông nghiệp ớc tính khoảng 800 triệu đô la. Nóng v khô hạn đã lm suy giảm nghiêm trọng sản lợng thu hoạch của nhiều nông dân. Những ngời khác lại bị dính một vấn đề khác: sản phẩm chín sớm bất thờng gây nên d thừa hng hóa v hạ giá. Những đợt giảm giá nh vậy đã lm cho những chủ trại nh Dale Benson ở Delawere không bán nổi sản phẩm của mình tại chợ địa phơng. Khô hạn còn reo rắc những hnh vi bất thờng của động vật. Ví dụ, những con gấu đen đi lang thang ở các vùng ngoại ô những thnh phố lớn để tìm kiếm thức ăn. Một con gấu xuất hiện chỉ cách khu trung tâm của Baltimore 15 km, một chú khác http://www.ebook.edu.vn 274 đột nhập vo một phòng ăn gia đình ở gần Stillwater, bang New Jersey. Những sự kiện kiểu ny thờng xuất hiện do các tình thế áp suất một khi đã hình thnh thì giữ ổn định trong những khoảng thời gian di bất thờng. Tình hình chỉ nhẹ bớt khi tình thế áp suất thay đổi khác đi cho phép những điều kiện ẩm hơn. Trong chơng 4 chúng ta đã thấy rằng áp suất khí quyển biến thiên từ nơi ny đến nơi khác, nhng sự phân bố của nó ngẫu nhiên. Ngợc lại, một số hình thế rất xác định thống trị sự phân bố của áp suất v trờng gió trên bề mặt Trái Đất. Những hình thế quy mô lớn nhất, gọi l hon lu chung, có thể xem nh một nền để trên đó những sự kiện bất thờng xuất hiện, nh khô hạn vừa mô tả ở trên. Tơng tự, thậm chí những biến thiên gió v áp suất hng ngy thông thờng có thể xem nh l các sai khác so với hon lu chung. Mục đích trớc hết của chúng ta trong chơng ny l mô tả những chuyển động gió thống trị ton hnh tinh v xem xét những quá trình phát sinh ra chúng. Chẳng hạn, chúng ta xét những quan hệ qua lại giữa trờng gió với khí quyển lớp trên v khí quyển lớp dới cũng nh những mối liên hệ kết nối diễn ra giữa biên phân cách của bề mặt các đại dơng v khí quyển tầng thấp. Sau đó chúng ta xem xét những tình thế gió v áp suất ở quy mô không gian v thời gian nhỏ hơn tiếp sau. Chơng ny sẽ kết thúc với vấn đề tơng tác khí quyển - đại dơng. Mô hình một nhân Các nh khoa học đã tìm cách mô tả những sơ đồ hon lu chung nhiều thế kỷ nay. Ngay từ năm 1735, một nh vật lý ngời Anh, George Hadley (1685-1768) đã đề xuất một sơ đồ hon lu chung đơn giản đợc gọi l mô hình một nhân (ổ) để mô tả chuyển động tổng quát của khí quyển. Một trong những mục đích chính của ông l để giải thích vì sao những ngời đi biển thờng rất hay thấy gió thổi từ phía đông sang phía tây ở các vĩ độ thấp. (Ngời ta gọi gió thổi từ phía đông sang phía tây hoặc từ phía tây sang phía đông l gió vĩ hớng; còn gió chuyển động từ phía bắc xuống phía nam hoặc từ phía nam lên phía bắc - l gió kinh hớng * ). Sơ đồ lý tởng hóa của Hadley, đợc thể hiện trên hình 8.2a, đã giả thiết một hnh tinh đợc bao phủ bởi một đại dơng duy nhất v đợc đốt nóng bằng một Mặt Trời cố định luôn nằm trên đỉnh đầu tại xích đạo. Hadley cho rằng sự đốt nóng mạnh tại xích đạo gây nên một sơ đồ hon lu, trong đó không khí bị giãn nở theo phơng thẳng đứng lên phía khí quyển tầng trên, phân kỳ về phía hai cực, chìm trở lại bề mặt v quay trở lại xích đạo. Tuy nhiên, Hadley không nghĩ gió sẽ đơn giản chuyển động tới phía bắc v tới phía nam. Ngợc lại, ông tin rằng sự quay của Trái Đất sẽ lm lệch đờng không khí sang bên phải ở Bắc bán cầu v sang bên trái ở Nam bán cầu, dẫn tới gió bề mặt hớng đông-tây đã thể hiện trong hình vẽ. * * Giú him khi l thun tỳy v hng hay thun tỳy kinh hng, m ngc li thng chuyn ng trong mt hng trung gian. Trong trng hp ny, chỳng ta s xem giú cú hai hp phn, mt hp phn v hng v mt hp phn kinh hng. Cú th hai hp phn bng nhau (nh trong giú tõy nam), song núi chung mt hp phn s ln hn hp phn khỏc. * Hadley ó sng trong nhng nm 1685-1768, trc khi Gaspard de Coriolis (1792-1843) mụ tnh lng v lng gia tc do chuyn ng xoay ca Trỏi t. Mc dự vy, Hadley ó cú mt nhn thc nh tớnh v lc Coriolis v ỏp dng nú vo mụ hỡnh ca ụng. http://www.ebook.edu.vn 275 Hình 8.2. Mô hình một nhân (a) v mô hình ba nhân (b) của áp suất khí quyển v gió. Trong mô hình một nhân không khí nở lên trên, phân kỳ tới các cực, hạ xuống v trôi trở về xích đạo ở gần bề mặt. Trong mô hình ba nhân hon l~u Hadley do nhiệt điều khiển chỉ giới hạn ở các vĩ độ thấp. Hai nhân khác (có vẻ lý thuyết hơn hiện thực) tồn tại ở mỗi bán cầu, đó l nhân Ferrel v nhân cực Những cống hiến chính của Hadley l đã chỉ ra rằng những chênh lệch về đốt nóng l nguyên nhân của các chuyển động vĩ mô ổn định (gọi l những houn lou do chế độ nhiệt quyết định) v rằng gió vĩ hớng có thể l do sự lệch hớng của gió kinh hớng. Tuy nhiên, ý tởng của ông về một nhân lớn duy nhất trong mỗi bán cầu không đợc hữu ích cho lắm. Một mô hình có phần hon thiện hơn đã diễn đạt hon lu chung một cách khá hơn - mặc dù vẫn rất đơn giản hóa. Đó l mô hình ba nhân (hình 8.2b), do nh http://www.ebook.edu.vn 276 khí tợng học ngời Mỹ William Ferrel (1817-1891) đề xuất năm 1865. Mô hình ba nhân Mô hình ba nhân phân chia hon lu của mỗi bán cầu thnh ba nhân riêng biệt: nhân Hadley do nhiệt điều khiển lm cho không khí hon lu giữa vùng nhiệt đới v các vùng cận nhiệt đới, một nhân Ferrel nằm ở các vĩ trung bình v một nhân cực. * Tuy l hiện thực hơn mô hình một nhân, mô hình ba nhân vẫn còn chung chung đến nỗi chỉ có những bộ phận của nó thực sự xuất hiện trên thế giới thực. Mặc dù vậy, các tên của nhiều đai gió v áp suất của mô hình ny đã trở nên xác định hơn trong hệ thống thuật ngữ hiện đại của chúng ta, v điều quan trọng l chúng ta hiểu đợc những đai giả định đó nằm ở đâu. Nhân Hadley Dọc theo xích đạo, sự đốt nóng mạnh của Mặt Trời lm cho không khí nở ra lên phía trên v phân kỳ về phía các cực. Điều đó tạo nên một đới áp suất thấp tại xích đạo gọi l áp thấp xích đạo, hay đới hội tụ nội chí tuyến (ITCZ). Những chuyển động thăng thống trị trong khu vực ny thuận lợi cho sự hình thnh những trận ma ro mạnh, đặc biệt vo buổi chiều. Giáng thủy mạnh gắn liền với đới hội tụ nội chí tuyến đợc quan sát thấy trên các bản đồ thời tiết v ảnh vệ tinh (hình 8.3). Hãy để ý trên hình rằng áp thấp xích đạo tồn tại không phải nh một dải phủ mây đồng nhất, m nh một đới chứa nhiều đám mây đối lu. Dải hội tụ nội chí tuyến l một đới vĩ độ ma nhiều nhất trên ton thế giới, nhiều nơi có đến hơn 200 ngy ma mỗi năm. Hãy hình dung bạn sẽ cảm thấy buồn chán nh thế no trong một môi trờng nh vậy, những buổi chiều nóng, ẩm với những trận ma ro suốt cả năm. Chính vì lẽ đó m dải hội tụ nội chí tuyến đôi khi bị gọi l những nơi u ám. Trong phạm vi nhân Hadley, không khí ở tầng đối lu trên chuyển động về phía cực tới vùng cận nhiệt đới, đến khoảng vĩ độ từ 20 o đến 30 o . Khi di chuyển, không khí đòi hỏi phải tăng chuyển động từ tây sang đông, chủ yếu bởi vì bảo ton động lợng góc (xem chuyên mục 8-1: Những nguyên lý vật lý: Những vấn đề với mô hình một nhân). Hợp phần hớng tây ny tỏ ra mạnh đến nỗi không khí trôi vòng quanh Trái Đất hai lần trớc khi đạt tới điểm đến cuối cùng ở các vùng cận nhiệt đới. Nói cách khác, không khí mực trên đi theo một đờng xoắn lớn ra khỏi các vùng nhiệt đới, trong đó chuyển động vĩ hớng mạnh hơn nhiều so với hợp phần kinh hớng. Ngoi những thứ khác, điều ny giải thích vì sao vật chất giải phóng từ những vụ phun tro núi lửa vùng nhiệt đới lan tỏa nhanh trên một khoảng cách rộng theo kinh độ. * Bn cú th phõn võn, Ti sao ba nhõn m khụng phi mt con s khỏc? Nhng ai giú ny xut hin nh s tng tỏc gia tc chuyn ng xoay ca Trỏi t v graien nng lng gia xớch o v cỏc cc. Nu Trỏi t xoay nhanh hn, chỳng ta cú th k vng nhiu ai hn. Nh sao Mc, xoay quanh trc ca nú trong 11 gi, cú nhiu ai, ch khụng phi ch cú ba trong mi bỏn cu. http://www.ebook.edu.vn 277 Hình 8.3. Dải hội tụ nội chí tuyến (nhiệt đới) đ~ợc nhìn thấy nh~ một băng mây đối l~u v m~a ro trải rộng từ phía bắc Nam Mỹ ra ngoi Thái Bình D~ơng trên tấm ảnh vệ tinh ny Khi đạt tới vĩ độ khoảng 20 o đến 30 o , không khí trong nhân Hadley chìm xuống phía bề mặt để hình thnh các cao áp cận nhiệt đới, đó l những đới áp suất bề mặt cao. Vì không khí giáng bị nóng lên đoạn nhiệt, sự hình thnh mây rất bị cản trở v những điều kiện hoang mạc rất phổ biến ở những vùng cận nhiệt đới. Các cao áp cận nhiệt đới nói chung có građien áp suất bé v gió yếu. Những điều kiện nh vậy có ảnh hởng cực tiểu tới giao thông khoảng cách xa ngy nay. Nhng ở thời kỳ tiền công nghiệp, khi m các tu viễn dơng phụ thuộc vo gió thì thiếu vắng gió l một thảm họa. Những con tu cắt ngang qua Đại Tây Dơng từ châu Âu đến Thế giới mới rất ngại bị dừng giữa đại dơng trong khi đi ngang qua vùng nhiệt đới. Nhiều khi hng hóa trên tu l gia súc v ngựa để mang bán cho Thế giới mới v nhiều chuyện kể rằng thủy thủ của các tu bị trễ phải quẳng cả ngựa của mình xuống đại dơng. Con tu bị quẳng hng hóa đã vay mợn cái tên của mình bằng thứ tên gọi theo kiểu nói lóng l những vĩ độ ngựa. ở Bắc ban cầu, khi građien áp suất hớng không khí bề mặt từ vùng áp cao cận nhiệt đới về phía dải hội tụ nhiệt đới, lực Coriolis yếu lm lệch không khí một chút sang phía bên phải để hình thnh đới gió mậu dịch đông bắc (hay đơn giản l tín phong đông bắc). ở Nam bán cầu, không khí chuyển động về hớng bắc từ cao áp cận nhiệt đới bị lệch sang bên trái để tạo thnh gió mậu dịch đông nam. Hãy chú ý rằng gió mậu dịch tồn tại trong một lớp khí quyển khá mỏng. Nếu lên cao dần trong đối lu quyển, những chuyển động hớng đông suy yếu dần v cuối cùng bị thay thế bởi chuyển động hớng tây ở bên trên. Tất cả các áp cao cận nhiệt đới, áp thấp xích đạo, gió tín phong v chuyển động hớng tây ở mực trên cùng nhau hình thnh nên các nhân Hadley. Vì do nhiệt sinh ra, hon lu Hadley mạnh nhất vo mùa đông, khi građien nhiệt độ lớn nhất. http://www.ebook.edu.vn 278 8-1 Những nguyên lý vật lý: Những vấn đề với mô hình một nhân Mô hình hon lu một nhân của Hadley l một mô hình đơn giản dựa trên sự đốt nóng bề mặt Trái Đất không đều. Trái ngợc với mô tả của Hadley, hon lu do chế độ nhiệt chế ngự chỉ chiếm cứ một dải vĩ độ giữa khoảng 30 o N v 30 o S. Tại sao mô hình một nhân không phủ khắp từng bán cầu thay vì chỉ một đới gần nhiệt đới? Câu trả lời l quy về tính chất bảo toun của mô men góc. Giống nh một một vật chuyển động trên một đờng thẳng có mô men thẳng, một vật chuyển động theo một quỹ đạo tròn có mô men góc. Nếu chúng ta khởi động một trọng vật quay ở đầu dây nh trên hình 1, ta thấy sợi dây quét một góc lập thể tăng dần, từ đó có thuật ngữ mô men góc. Giá trị mô men góc rõ rng tăng theo khối lợng của vật (hãy hình dung ta muốn dừng một vật rất nặng đang chuyển động). Mô men góc cũng tăng theo tốc độ, bởi vì nếu quay nhanh hơn thì mỗi giây sẽ quét đợc một diện tích lớn hơn. Cuối cùng, mô men góc tăng lên theo bán kính, cũng l vì một diện tích lớn hơn sẽ đợc quét trong một đơn vị thời gian. Tóm lại, ta có thể nói rằng mô men góc bằng tích của khối lợng, tốc độ v bán kính, hay mvrA = , ở đây A mô men góc, m khối lợng v r bán kính quay. Nếu mô men góc đợc bảo ton, thì const=A . Mệnh đề đơn giản ny có một số hệ quả quan trọng. Ví dụ, giả sử ta giảm bán kính bằng cách rút ngắn sợi dây lại. Vì r giảm, tốc độ phải tăng lên, ngay cả khi ta không quay mạnh hơn. Chính hiện tợng ny giúp cho vận động viên nhảy cầu xoay v nho lộn trong không khí. Sau khi rời ván nhảy, mô men góc của ngời nhảy đợc cố định. Khi gập ngời lại, ép chân tay vo sát tâm khối, ngời ta sẽ quay rất nhanh. Lúc kết thúc cú nhảy, ngời ta duỗi thẳng ngời ra, giảm tốc độ xoay để tiếp nớc thẳng đứng không quay v nhận đợc điểm cao. Điều đáng chú ý l ngời nhảy không thể điều chỉnh mô men góc của họ trong không khí, m phải rời ván với mô men chính xác cần thiết cho một cú nhảy cụ thể. Bây giờ xét chuyển động xoay của Trái Đất. Tại xích đạo, mỗi điểm cố định trên bề mặt đi đợc một khoảng cách bằng chu vi của hnh tinh l 40000 km trong chu kỳ 24 giờ. Điều ny cũng áp dụng cho một phần tử không khí cố định so với bề mặt. Tại các vĩ độ cao hơn, chu vi bé hơn, nên phần tử dừng đi đợc khoảng cách ngắn hơn trong thời gian một ngy. Ví dụ, tại 40 o thì tốc độ vo khoảng 31000 km/ngy. Bây giờ ta xem điều gì xảy ra khi một khối lợng không khí xác định di chuyển từ xích đạo về phía cực Bắc. Khi đi về phía cực, r giảm, nên v phải tăng nếu mô men góc bảo ton. Tại vĩ độ 40 o , v lớn hơn khoảng 30 %, hay 52000 km/ngy. Nói cách khác, phần tử đang chuyển động về phía đông với tốc độ 52000 km/ngy khi nó di chuyển vòng quanh trục xoay. Tại vĩ độ đó, bề mặt chỉ di chuyển với tốc độ 31000 km/ngy, cho nên phần tử đang chuyển động bên trên bề mặt. Đứng trên mặt đất, chúng ta sẽ thấy tốc độ gió bằng 21000 km/ngy (52000 trừ đi 31000). Đó l một giá trị rất lớn, tơng đơng với một tốc độ gió 243 m/s! Theo mô hình một nhân, không khí ở mực cao thổi liên tục từ vùng xích đạo tới các cực. Nhng nếu nh vậy, sự bảo ton mô men góc sẽ mang lại cho không khí di chuyển hớng về cực một tốc độ cao không tởng tợng nổi - lớn hơn nhiều so với tốc độ chúng ta từng thấy trong các vòi rồng thậm chí mạnh nhất. Những lý do vật lý ngăn cản không cho không khí duy trì đợc những dòng gió lớn nh vậy, bởi vì thậm chí chỉ một nhiễu động nhỏ ngẫu nhiên sẽ có thể lm http://www.ebook.edu.vn 279 Hình 1. Chuyển động quay của một vật ở đầu dây (a) minh họa cho sự bảo ton mô men góc. Khi sợi dây bị kéo ngắn lại (b), tốc độ quay của nó tăng lên để duy trì mô men góc không đổi cho gió bị phá vỡ thnh nhiều cuộn xoáy với các chuyển động bắc-nam rất mạnh. Mô hình một nhân còn gặp phải một thách thức khác, cũng liên quan tới sự bảo ton mô men góc. Nhìn một cách tổng thể, tổng mô men của cả Trái Đất l một hằng số - không có bất kỳ một ngọai lực no ở ngoi hnh tinh của chúng ta tác động để lm tăng hay giảm vận tốc quay của nó. (Chúng ta bỏ qua sự biến đổi lực hấp dẫn gây ra do sự dịch chuyển của các hnh tinh, hay những yếu tố thứ yếu khác). Một mô men góc đợc trao đổi giữa Trái Đất với khí quyển, do lực ma sát, khi không khí chuyển động trợt trên bề mặt Trái Đất. Đối với trờng hợp gió tây, mô men đợc truyền từ khí quyển đến bề mặt Trái Đất, do không khí đợc đẩy theo hớng của chuyển động quay của Trái Đất. Tơng tự, đối với trờng hợp gió đông, mô men đợc truyền từ bề mặt Trái Đất vo khí quyển. Trong mô hình một vòng đơn, gió Đông sẽ đợc tạo ra ở khắp mọi điểm trên Trái Đất. Nếu nh điều ny xảy ra, Trái Đất sẽ truyền westerly mô men vo khí quyển tại mọi điểm, v điều ny sẽ dẫn Khí quyển đến chỗ bị phá hủy trong vòng 1 hoặc 2 tuần lễ. Để tránh đợc vấn đề ny, ở đâu đó cần phải có gió Tây dung hòa đới gió Đông. Nói một cách cụ thể, tổng mô men chuyển từ mặt đất vo khí quyển (tính trung bình cho ton bộ Trái Đất) phải bằng tổng mô men đợc chuyển từ khí quyển trở lại lớp bề mặt. Do vậy, mô hình một hon lu duy nhất l không khả thi áp dụng cho Trái Đất cũng nh cho bất kỳ một h nh tinh no chu yển động xoay. Các nhân Ferrel v nhân cực Theo mô hình ba nhân, nhân Hadley chịu trách nhiệm về chuyển động v phân bố không khí bên trên khoảng một nửa bề mặt Trái Đất. Trực tiếp án ngữ bên cạnh nhân Hadley ở mỗi bán cầu l nhân Ferrel, nó lu chuyển không khí giữa các áp cao cận nhiệt đới v các áp thấp cận cực, hay những khu vực áp suất thấp. ở http://www.ebook.edu.vn 280 cạnh phía xích đạo của nhân Ferrel, không khí từ cao áp cận nhiệt đới Bắc bán cầu thổi về phía cực bị lệch hớng một cách đáng kể về bên phải, tạo nên một đai gió gọi l đai gió tây. ở Nam bán cầu, lực građien áp suất dồn không khí về phía nam, nhng lực Coriolis lm lệch nó sang bên trái - do đó cũng tạo nên một đới gió tây ở bán cầu ny. Không giống nhân Hadley, nhân Ferrel đợc tởng tợng nh một nhân không trực tiếp, nghĩa l nó không sinh ra từ những chênh lệch về độ đốt nóng, m ngợc lại, đợc gây nên bởi sự chuyển tiếp của hai nhân kế cận. Hãy hình dung ba con bi đợc đặt liền nhau, từng con bi chạm với con bi khác. Nếu hai con bi phía ngoi cùng xoay trong một hớng, thì ma sát sẽ lm cho con bi ở giữa chuyển động. Vậy, nhân Ferrel thể hiện cùng một kiểu quay khép kín nh các nhân khác, nhng vì những nguyên nhân khác. Trong các nhân cực của mô hình ba nhân, không khí tại bề mặt di chuyển từ các áp cao cực tới các áp thấp cận cực. Giống nh các nhân Hadley, các nhân cực đợc xem l những hon lu điều khiển bởi nhiệt. So với các cực, không khí tại các địa điểm cận cực hơi ấm hơn, nó l không khí nâng lên ở trong vùng áp suất bề mặt thấp. Những điều kiện rất lạnh ở các cực tạo ra áp suất bề mặt cao v chuyển động ở mực thấp về phía xích đạo. Trong cả hai bán cầu, lực Coriolis lm lệch hớng không khí để hình thnh một đới gió đông cực ở trong khí quyển tầng thấp. Đối chiếu mô hình ba nhân với hiện thực: những điểm chủ yếu nhất Các đai gió v áp suất của mô hình ba nhân có mô tả đúng những hình thế trong thế giới hiện thực không? Câu trả lời l: có vẻ nh vậy. Chúng ta đã thấy rằng giải hội tụ nhiệt đới l h iện thực đủ để có thể quan trắc đợc từ vũ trụ v rằng nhiều vùng hoang mạc đang tồn tại ở những vị trí dự báo của chúng. Hơn nữa, các dòng gió mậu dịch l những dòng ổn định nhất trên Trái Đất. Phải nói rằng hon lu Hadley cung cấp một bằng chứng rất tốt về những chuyển động vĩ độ thấp. Mặt khác, các nhân Ferrel v các nhân cực không hon ton thể hiện tốt trong thực tế, mặc dù chúng có một số biểu lộ trong khí hậu thực tế. Nếu xét theo các trờng gió bề mặt, nhiều vĩ độ trung bình đợc trải nghiệm các gió tây mạnh m mô hình đã mô tả, đacự biệt ở Nam bán cầu. Dĩ nhiên, các điều kiện địa phơng thờng hay lm lu mờ mất xu thế (thực tế, nhiều vùng ở phần trung tâm nớc Mỹ bị thống trị bởi một dòng gió nam trong thời gian mùa hè). Để thấy đợc một hình thế ổn định của các dòng gió đông cực trong chế độ gió tổng cộng thậm chí còn khó hơn. Chúng xuất hiện trong các giá trị trung bình hạn di, nhng không phải l một đai gió thể hiện rõ rệt nh các đai gió mậu dịch. Nếu xét theo các chuyển động mực cao, mô hình ba nhân l hon ton không hiện thực. Chẳng hạn, ở nơi m nhân Ferrel đề xuất chuyển động đông trong đối lu quyển tầng cao thì ở nơi đó lại ngự trị gió tây. Hơn nữa, những nhân đổi hớng lớn không tồn tại ở bên ngoi các đới Hadley. Do đó, mô hình ba nhân chủ yếu chỉ cung cấp một điểm khởi đầu cho việc xem xét một cách chi tiết hơn. Nhng có lẽ những nhợc điểm của nó không có gì ngạc nhiên, nếu biết rằng nó cha tính đến những tơng phản lục địa - đại dơng hay ảnh hởng của địa hình bề mặt, hai nhân tố chắc chắn phải ảnh hởng tới trờng gió v áp suất hnh tinh. http://www.ebook.edu.vn 281 Các nhân áp suất bán vĩnh cửu Mô hình ba nhân cho chúng ta một xuất phát điểm tốt để mô tả phân bố chung của gió v áp suất, nhng thế giới thực không bị bao phủ bởi một loạt các đai hon ton khép kín vòng quanh địa cầu. Ngợc lại, chúng ta thấy một số nhân áp suất cao v thấp bán vĩnh cửu thay đổi, nh đã thể hiện trên hình 8.4. Chúng đợc gọi l bán vĩnh cửu bởi vì chúng trải qua những biến đổi mùa về vị trí v cờng độ trong quá trình một năm. Một số trong những nhân đó xuất hiện do những chênh lệch nhiệt độ, một số khác do các quá trình động lực học (có nghĩa rằng chúng liên quan tới những chuyển động của khí quyển). Trong số những thnh tạo nổi bật nhất ở Bắc bán cầu trong mùa đông (hình 8.4a) có: các áp thấp Aleut v Icelandia - tuần tự ở trên Thái Bình Dơng v Đại Tây Dơng, áp cao Siberia trên phần trung tâm châu á. Trong mùa hè (hình 8.4b), những nhân phát triển nhất l: các áp cao Hawaii v Bermuda-Azores của Thái Bình Dơng v Đại Tây Dơng, áp thấp Tibet ở Nam á. Kích thớc, cờng độ v vị trí của các nhân bán vĩnh cửu biến đổi một cách đáng kể từ mùa hè tới mùa đông. Trong thời gian mùa đông, một áp thấp Icelandia mạnh chiếm cứ một phần rộng lớn của Bắc Đại Tây Dơng, còn áp cao Bermuda- Azores xuất hiện thnh một xoáy nghịch nhỏ, yếu. Trong mùa hè, áp thấp Icelandia suy yếu đi v giảm thiểu về kích thớc, nhng áp cao Bermuda-Azores mạnh lên v mở rộng. Thậm chí một cách kịch tính hơn, áp cao Siberia của mùa đông ở phần phía trong của châu á nhờng chỗ cho áp thấp Tibet của mùa hè. Nh chúng ta sẽ thấy sau trong chơng ny, sự chuyển đổi mùa trong phân bố của các nhân bán vĩnh cửu đóng vai trò quan trọng đối với các hình thế hon lu quan trọng nhất của Trái Đất - gió mùa của miền nam v đông nam châu á. Chúng ta đã nhắc tới trớc đây rằng nhân Hadley dễ dng thấy trong thế giới thực, với dải hội tụ nhiệt đới xuất hiện bên trên phần lớn các vùng xích đạo v những cao áp cận nhiệt đới tồn tại ở nhiều vùng nhiệt đới. Nhng nh các bạn có thể còn thấy trên hình 8.4, các áp cao cận nhiệt đới tồn tại chủ yếu trên các đại dơng (nh các áp cao Hawaii v Bermuda-Azores trên Bắc bán cầu) v không ở trên đất liền. Mặc dù không có áp suất mực nớc biển cao một cách đáng kể bên trên các khối lục địa cận nhiệt đới, nhng không khí trong đối lu quyển tầng trung trải qua các chuyển động giáng, nó hạn chế sự hình thnh mây v thuận lợi cho những điều kiện hoang mạc. Hoang mạc Sahara của Bắc Phi, hoang mạc trung tâm nội địa nớc úc v các hoang mạc của miền tây nam Hoa Kỳ v tây bắc Mexico phản ánh rõ rệt về các quá trình giáng. Vì độ nghiêng của Mặt Trời biến đổi theo mùa, nên dải bị đốt nóng mạnh nhất cũng biến đổi. Biết rằng các nhân Hadley l những nhân nhiệt, chúng ta có thể kỳ vọng các đai áp suất v gió liên quan di chuyển theo mùa, v thực sự l nh vậy. Mặc dù với một khoảng thời gian trễ một số tuần, dải hội tụ nhiệt đới, các cao áp cận nhiệt đới v gió tín phong tất cả đều đi theo Mặt Trời di c. Sự di chuyển ny có một ảnh hởng to lớn tới nhiều vùng khí hậu của thế giới - v tới những ngời sống trong đó. http://www.ebook.edu.vn 282 (a) Tháng 1 (b) Tháng 7 Hình 8.4. Phân bố áp suất mực mặt biển trong mùa đông (a) v mùa hè (b) Ví dụ, nhiều khu vực gần xích đạo bị dải hội tụ nhiệt đới thống trị trong suốt năm v không trải qua mùa khô. Tuy nhiên, những khu vực nằm gần các rìa phía cực của dải hội tụ nhiệt đới có những mùa khô ngắn ngủi khi dải ny di chuyển về phía xích đạo. Ví dụ, hãy so sánh những hình thế ma trung bình của Iquitos, Peru [...]... mực 30 0 mb cho thấy sự di chuyển của sóng Rossby từng 24 giờ một Ngo i việc phân bố lại không khí lạnh v nóng, các hình thế sóng Rossby có một tác động không kém phần quan trọng, tuy ít biểu kiến hơn, tới thời tiết khu vực Những biến thiên của dòng gió dọc theo sóng dẫn tới sự phân kỳ v hội tụ Khi không khí trong khí quyển tầng cao phân kỳ (hay lan tỏa ra), nó thu hút không khí từ phía d ới lên, tạo... (m/s) 40 36 5000 10 30 B ớc sóng (km) Các đại d ơng Nh chúng ta đã thấy, chuyển động của khí quyển chịu ảnh h ởng rất lớn của dòng nhiệt từ bề mặt Chúng ta còn biết rằng lục địa v đại d ơng có tốc độ nóng lên v lạnh đi khác nhau, một phần đó l do những chuyển động trong ph ơng thẳng đứng v ph ơng ngang của n ớc Trong mục n y, chúng ta xem xét kỹ hơn về ảnh h ởng của khí quyển tới chuyển động của n ớc... dòng không khí tỏa ra ở phía trên độ cao 1 km l m giảm tổng l ợng không khí bên trên bề mặt ở tầng trung khí quyển, tuy nhiên, sự bốc lên của không khí từ phía d ới l m tăng l ợng không khí bên trên một độ cao cụ thể n o đó v vì vậy l m tăng áp suất so với áp suất của không khí xung quanh (mặc dù áp suất vẫn thấp hơn so với phía d ới) Ban đêm, khi mặt đất lạnh đi nhanh hơn so với mặt n ớc, không khí. .. mẽ hơn khi không khí tr ờn lên s ờn phía nam của dãy Himalaya 2 98 http://www.ebook.edu.vn (a) (b) Hình 8. 17 Hình ảnh của dãy núi Himalaya v châu á do máy tính tái tạo Sự kết hợp của không khí ẩm v chuyển động thăng mạnh gây nên l ợng m a lớn khó t ởng t ợng đối với những ai sống ở các miền khí hậu ôn hòa hơn L ợng m a lớn ở đông bắc ấn Độ còn đ ợc gia tăng thậm chí thêm nữa do sự di chuyển của các vùng... nhanh hơn vùng n ớc kế cận, khiến cho cột không khí bên trên mặt đất nở ra v bốc lên cao (hình 8. 22) ở độ cao khoảng 1 km, không khí nâng lên n y lan rộng ra xung quanh, gây nên sự giảm áp suất không khí bề mặt Bên trên mặt n ớc gần đó không khí nóng lên ít hơn, nên áp suất không khí bề mặt ở đây cao hơn so với trên đất liền Không khí bên trên bề mặt n ớc di chuyển về phía khu vực áp suất thấp bên trên... tới tốc độ m sóng Rossby di chuyển xuôi theo gió (xem chuyên mục 8- 2 : Những nguyên lý vật lý: Chuyển động của các sóng Rossby) Các sóng Rossby có một ảnh h ởng to lớn tới thời tiết h ng ng y, đặc biệt khi chúng có biên độ lớn Chúng có khả năng vận chuyển không khí nóng từ những vùng cận nhiệt đới lên các vĩ độ cao, hoặc không khí cực đới lạnh xuống các vĩ độ thấp Bởi vì không khí mực cao có xu h ớng biến... thuận lợi cho sự hiện diện của không khí nóng, ẩm trên khí quyển Các hải l u đ ợc hình th nh do gió ở lớp không khí tầng thấp, nó tác động một lực kéo lên lớp n ớc bề mặt Trái lại với gì chúng ta có thể nghĩ, n ớc bề mặt không chuyển động cùng h ớng với gió, m lệch một góc 45o về bên phải của dòng không khí ở Bắc bán cầu (về bên trái ở Nam bán cầu) Nog i ra, cả h ớng v tốc độ của dòng chảy đều thay đổi... ngắn khi hệ thống dịch chuyển về phía cực trong thời gian mùa hè Điều kiện n y tồn tại ở Sahel của châu Phi, khu vực tiếp giáp với rìa phía nam của hoang mạc Sahara (hình 8. 5a) Không giống nh Sahara khô trong suốt năm, Sahel th ờng trải qua một thời kỳ có m a ngắn trong mỗi mùa hè khi dải hội tụ nhiệt đới lan tới khu vực (hình 8. 5b) Trong thời gian còn lại của năm, không khí giáng của nhân Hadley dẫn... trung; các vùng không khí nóng thì có các độ cao của mực 500 mb lớn hơn Hình 8. 5 Sahel l một khu vực của châu Phi tiếp giáp với phía nam của hoang mạc Sahara (a) Trong mùa hè (b), dải hội tụ nhiệt đới th ờng chuyển lên phía bắc v mang m a cho khu vực Phần lớn thời gian của năm dải hội tụ nhiệt đới nằm ở phía nam Sahel v khu vực nhận đ ợc ít hoặc không m a 284 http://www.ebook.edu.vn Hỡnh 8. 6 cao trung... l những sóng khí quyển lớn nhất, còn có những dạng chuyển động xoáy t ơng tự với những kích th ớc khác nhau Tại sao lại phức tạp nh vậy? Nói một cách đơn giản nhất, h nh vi của khí quyển trên cao l hệ quả tất yếu của ba nhân tố: (1) sự đốt nóng khí quyển không đồng đều từ xích đạo đến các địa cực, (2) sự xoay của h nh tinh v (3) bản chất rối cố hữu của khí quyển Để minh họa sự t ơng tác của ba nhân . http://www.ebook.edu.vn Phần 3 - Phân bố v} chuyển động của không khí Chơng 8 Hon lu khí quyển v phân bố áp suất Trong mùa hè năm 1999, những bộ phận rộng lớn. nhân Hadley, không khí ở tầng đối lu trên chuyển động về phía cực tới vùng cận nhiệt đới, đến khoảng vĩ độ từ 20 o đến 30 o . Khi di chuyển, không khí đòi hỏi phải tăng chuyển động từ tây sang. một Ngoi việc phân bố lại không khí lạnh v nóng, các hình thế sóng Rossby có một tác động không kém phần quan trọng, tuy ít biểu kiến hơn, tới thời tiết khu vực. Những biến thiên của dòng gió