- 252 - chơng 9. tầng bình lu 9.1 Chu kỳ mùa của các hon lu trong tầng bình lu Cho đến nay, ta đã tập trung nghiên cứu phần lớn đặc điểm tầng đối lu, tầng khí quyển đợc đặc trng bởi tầng kết tơng đối yếu, với gradien nhiệt độ khoảng 6- 7K/km. Tại đỉnh tầng đối lu, gradien nhiệt độ tiến dần đến phần dới 0; tầng bình lu gần nh l đẳng nhiệt. Tầng kết có thể đợc xác định tơng ứng theo biến đổi của tần số Brunt-Vaisala, tần số ny biến đổi từ 10 -2 s -1 ở tầng đối lu đến 2 x 10 -2 s -1 trong phần dới tầng bình lu. ở phần trên tầng bình lu, từ độ cao 30km đến khoảng 50km, nhiệt độ tăng theo chiều cao. Vùng chuyển tiếp sang các điều kiện tầng kết ổn định đợc gọi l đỉnh tầng đối lu, vùng ny biểu hiện rõ ở các miền nhiệt đới v ôn đới. Nó tăng dần theo các vĩ độ cực đặc biệt l vo mùa đông khi ở đó không có mặt trời chiếu sáng. Phân tầng tại đỉnh tầng đối lu tăng đột ngột có nghĩa l tầng bình lu sẽ có cơ chế động lực khác xa so với tầng đối lu. Bất ổn định t áp gần nh bị triệt tiêu v các nhiễu động chủ yếu bị chặn ở mực dới. Tầng kết đóng vai trò nh một máy lọc, loại bỏ những nhiễu động quy mô nhỏ v chỉ cho phép những sóng di nhất truyền qua tầng đối lu đến các độ cao lớn hơn trong tầng bình lu. Do đó, các nhiễu động có bớc sóng ngắn hơn sẽ bị giữ lại trong tầng đối lu, ở đó nó đóng vai trò nh một sóng dẫn, biên trên của nó sẽ l đỉnh tầng đối lu. Chơng 9 sẽ minh hoạ quá trình chọn lọc ny. Các trờng đã đợc đa ra từ tập phân tích của Trung tâm dự báo thời tiết hạn vừa Châu Âu (ECMWF) biểu diễn mô hình synôp của dòng khí trong cùng thời gian phân tích vo mùa đông, nhng tại các mực khác nhau trong phạm vi từ phần trên tầng đối lu đến phần giữa tầng bình lu. Tại mực 300hPa, có thể thấy nhiều rãnh sâu liên quan với hệ thống áp thấp mặt đất cũng nh áp cao phía tây Ireland v một số nhiễu động khác. Tại các mực cao hơn có thể thấy ở gần mực 30hPa (khoảng 24km trên mặt đất) có thể nhìn thấy rõ một xoáy nghiêng từ cực về phía Bắc Âu v một xoáy nghịch yếu trên vùng bắc Thái Bình Dơng. Kết quả phân tích Fourier trờng hm dòng tại các mực cao hơn cho thấy dòng vĩ h ớng bao gồm các sóng với số sóng từ một đến ba. Vo mùa h è, tình hình tơng tự nhng phức tạp hơn có thể thấy nh các nhiễu động sóng. Phân bố hm dòng ngy 22 tháng 7 năm 1986 đợc biểu diễn trên Hình 9.2. Tại mực 300hPa, đới gió tây ôn đới rất ít bị nhiễu động, các hệ thống tức thời với biên độ lớn rõ trên cả hai đại dơng. Tại mực 100hPa, xoáy thuận gần nh bị triệt tiêu, chỉ còn lại rất mờ trên Bắc Mỹ. Thay vo đó, trờng dòng tại mực ny thống trị bởi xoáy nghịch trên vùng Trung Đông v Trung á liên quan với gió mùa Châu á. Đặc điểm của các xoáy nghịch ny trở nên rõ nét hơn tại mực 50hPa, trong khi đó tại mực - 253 - 30hPa một xoáy nghịch đối xứng trục lại có tâm ở cực bắc v bao phủ ton bộ bán cầu mùa hè. Hình 9.1 Phân bố hàm dòng ngày 22/ 01/1987 tại các mực khác nhau trên Bắc Bán Cầu. (a) 300hPa (khoảng 9km); (b) 100hPa (khoảng 17km); (c) 30hPa (khoảng 26km) và (d) 10hPa (khoảng 34km). Khoảng giữa đờng đẳng trị là 10 7 m 2 s -1 Lý thuyết trình by trong mục 6.4 cho ta một giải thích đúng đắn về sự biến đổi đặc trng của các dòng trên cao chỉ ra trên Hình 9.1, v ta sẽ áp dụng lý thuyết ny cho tầng bình lu trong mục 9.2. Nhng trớc tiên cần áp dụng để giải thích cho dòng trung bình vĩ hớng trong tầng bình lu. Dòng ny chủ yếu bị chi phối bởi hoạt động bức xạ, nhng bị biến đổi mạnh bởi sự truyền nhiệt động lực với có một chu kỳ mùa đặc trng. - 254 - Hình 9.2 Tơng tự Hình 9.1 nhng là phân bố hàm dòng ngày 22/07/1986. (a) mực 300hPa; (b) mực 100hPa; (c) mực 30hPa và (d) mực 10hPa. Khoảng giữa đờng đẳng trị là 5 x 10 6 m 2 s -1 . (Cần lu ý phải chuyển 10kPa sang 100hPa tức là sang mb, ví dụ 10kPa=100hPa) Khí quyển hấp thụ khoảng 1% bức xạ mặt trời tới khí quyển, phần lớn l bức xạ cực tím. Nhng do mật độ không khí ở đây rất nhỏ nên kết quả l tốc độ đốt nóng trở nên đáng kể. Hình 9.3 biểu diễn dòng bức xạ mặt trời trung bình ngy tới đỉnh khí quyển nh hm của vĩ độ v thời gian trong năm. Độ nắng cực đại xuất hiện vo ngy hạ chí. Gần ngy đông chí, ở các đỉnh cực sẽ hon ton không đợc chiếu sáng. Tầng khí quyển hấp thụ bức xạ cực tím mạnh nhất v quan trọng nhất l tầng ôzon, ôzon l phân tử đợc liên kết bởi ba nguyên tử ôxy. Ôzon có áp suất riêng cực đại tại mực khoảng 25km v tỷ số hỗn hợp cực đại tại mực 50km. Tầng ôzon đạt đợc hiệu ứng lớn nhất trong việc hấp thụ bức xạ tia cực tím vơi bớc sóng nhỏ hơn 300nm. Do đó, tốc độ đốt nóng cực đại, lên tới 12K/ngy, xuất hiện ở đỉnh tầng ôzon tại mực khoảng 50 km. Đây chính l mô hình của sự đốt nóng xác định rõ rng profile nhiệt độ tuyến tính thẳng đứng của khí quyển với tầng kết ổn định từ đỉnh tầng đối lu đến tầng bình - 255 - lu, khoảng 60km, v tầng kết ổn định nhỏ hơn trong tầng trung quyển. Sự tăng nhanh của gradien nhiệt độ khí quyển có liên quan với quá trình đốt nóng ny, cho đến khi quá trình lm lạnh do phát xạ sóng di đủ lớn để cân bằng với quá trình đốt nóng. Quá trình lm lạnh chủ yếu l do dyoxit cacbon (CO 2 ), tuy hơi nớc v ôzon cũng phát ra dải tia hồng ngoại góp phần lớn vo quá trình lm lạnh. Hình 9.4 biểu diễn tốc độ đốt nóng do tầng ôzon hấp thụ bức xạ mặt trời, v tốc độ đốt nóng thuần do tất cả các quá trình bức xạ. Hình 9.3 Dòng trung bình ngày của bức xạ mặt trời tại giới hạn trên của khí quyển là hàm của vĩ độ và thời gian trong năm. Khoảng giữa các đờng đẳng trị là 50Wm -2 . Vùng đậm biểu diễn khu vực mùa đông cực Tại các điểm chí, ta có thể dự báo sự đốt nóng theo mô hình từ sự phân bố của bức xạ mặt trời, với quá trình đốt nóng trên ton bán cầu mùa hè v lm lạnh cực đại vo mùa đông tại các vĩ độ cao. Tại các điểm phân, các mô hình đối xứng trục rõ rệt quanh xích đạo, với đốt nóng ở miền nhiệt đới v lm lạnh ở các vĩ độ cao ở cả hai bán cầu. Hình 9.4 Mặt cắt thẳng đứng biểu diễn tốc độ đốt nóng ở tầng bình lu: (a) đốt nóng do ôzon ngày 21/12; (b) đốt nóng do ôzon ngày 21/03 - 256 - Hình 9.4 (tiếp) (c) Đốt nóng thuần bao gồm cả làm lạnh do phát xạ sóng dài, tháng giêng; (d) Đốt nóng thuần, tháng 3. Khoảng giữa đờng đẳng trị 1K/ngày. Trong hình (a) và (b) vùng tô đậm chỉ các đại lợng vợt quá 8K/ngày, trong (c) và (d) vùng tô đậm chỉ đốt nóng thuần (Theo Gille & Lyjak,1986) Mặc dù ôzon có vai trò rất quan trọng trong cấu trúc nhiệt độ của tầng bình lu nhng mật độ của nó lại vô cùng nhỏ, số lợng không quá một phần tử khí trong 10 5 với mật độ cực đại của ôzon. Tổng thể tích của ôzon bởi độ dy của một cột khí nếu ton bộ lợng ôzon đợc tách ra v nén lại thnh một lớp mỏng tại khí áp 1000hPa v nhiệt độ 273K. Các giá trị đặc trng dao động trong khoảng 2,6 đến 4,5, tùy thuộc vo vĩ độ v mùa. Ngợc lại, khí quyển đồng nhất đo bằng cách ny có độ dầy l 8km. Tình hình phức tạp hơn do ôzon l yếu tố có sự biến đổi lớn. Các nhân tố ảnh hởng đến mật độ của nó sẽ đợc thảo luận chi tiết hơn trong mục 9.3. Vo mùa đông, tốc độ đốt nóng tại các vĩ độ cao bằng không khi ở đó không đợc mặt trời chiếu sáng. Tốc độ đốt nóng tăng lên tại các vĩ độ nhiệt đới. Kết quả l xuất hiện gradien nhiệt độ rất lớn gần vùng cực tại 66 0 vĩ, v ở đây nhiệt độ rất thấp. Trong cân bằng gió nhiệt với gradien nhiệt độ ny, tại các vĩ độ cao gió vĩ hớng sẽ tăng theo chiều cao v có cờng độ khá mạnh vợt quá 50hPa. Dòng xiết vĩ độ cao hoặc dòng xiết đêm vùng cực nhìn chung nằm khá xa so với trục đối xứng. ít nhất ở Bắc Bán Cầu nh đã chỉ ra trên Hình 9.1, nó bị biến dạng v di chuyển ra khỏi vùng cực. - 257 - Hình 9.5 Mặt cắt thẳng đứng biểu diễn gió vĩ hớng tính trung bình theo vĩ tuyến u ở tầng bình lu, dựa theo số liệu khí hậu của Fleming & cộng sự (1990): (a) tháng giêng; (b) tháng 7. Khoảng giữa đờng đẳng trị là 10ms -1 , vùng đậm là gió đông. Hình vẽ này và các hình vẽ khác tơng tự, tọa độ thẳng đứng là 1000log(p/p R ). Cần lu ý rằng các khoảng chia đợc lấy là 14,7km Hình 9.5 biểu diễn mặt cắt thẳng đứng theo chiều caovĩ độ của gió vĩ hớng trung bình vĩ hớng trong tầng bình lu. ở bán cầu mùa hè, dòng xiết hớng tây tầng đối lu biến mất rất nhanh trong phần dới tầng bình v hệ thống gió phần lớn có hớng đông. Trong bán cầu mùa đông, dòng xiết hớng tây tầng đối lu luôn bị suy yếu ở phía trên đỉnh tầng đối lu, trong khi đó, dòng xiết đêm vùng cực lại tăng cờng rất nhanh, đạt đợc giá trị khoảng 60m/s tại đỉnh tầng bình lu. Các trờng gió ở miền nhiệt đới khó đánh giá hơn. Không thể suy luận gió ny từ cân bằng gió nhiệt v việc đo trực tiếp trờng gió của tầng bình lu l rất khó khăn vì tầng mây thông thờng nằm trên độ cao lớn nhất của thám sát cao không. Mặc dù ta đã thảo luận về đặc trng cơ bản của nhiệt độ trung bình vĩ hớng v trờng gió tầng bình lu trong các thnh phần phân bố nhiệt độ theo cân bằng bức xạ. Cần nhận thấy rằng, một số đặc điểm của tầng bình lu rất khác so với trạng thái cân bằng bức xạ. Hình 9.6 biểu diễn kết quả tính trờng nhiệt độ tầng bình lu xác định bằng cân bằng bức xạ. Kết quả ny thu đợc bằng cách tích phân mô hình bao gồm chu kỳ mùa của bức xạ mặt trời nhng bỏ qua sự truyền nhiệt động lực, so sánh với kết quả quan trắc. Cực theo số liệu quan trắc nóng hơn đáng kể so với cực tính theo cân bằng bức xạ, nh vậy l hon lu khí quyển truyền nhiệt đến các vùng vĩ độ cao. Đáng chú ý hơn, các thám sát cho thấy một nhiệt độ cực đại địa phơng ở miền ôn đới, với một xích đạo lạnh v một cực đại nhiệt độ gần 50 0 N. Cùng với sự đảo ngợc của gradien nhiệt độ thông thờng l sự thích ứng với độ đứt gió đông phía trên dòng xiết tầng đối lu, do đó, đối với dòng xiết đặc trng cực đại ở gần đỉnh tầng đối lu. Sự tồn tại của xích đạo lạnh tầng bình lu thể hiện rõ nét hơn đối với một vòng hon lu rất mạnh vận chuyển nhiệt hớng cực. Lý thuyết "Charney-Drazin" giới thiệu trong mục 6.4 dự báo ảnh hởng lạnh của tầng bình lu đã quan trắc đợc đối với các xoáy. Ta đã thấy trong đới gió tây, chỉ có các sóng di Rossby có thể truyền theo phơng thẳng đứng. Các sóng có bớc sóng ngắn hơn l rất mờ v sẽ bị suy yếu nhanh chóng v biến mất theo độ cao. Đới gió tây cng mạnh thì bớc sóng lan truyền theo theo chiều thẳng đứng của sóng Rossby cng di. Đới gió tây mạnh v dòng xiết ban đêm vùng cực cản trở sự lan truyền lên cao của các nhiễu động có bớc sóng nhỏ hơn. Các nhiễu động ny suy yếu nhanh ở phía trên của đỉnh tầng đối lu. Tại các mực cao nhất, chỉ tồn tại các sóng với số sóng 1, 2 v 3 với biên độ đáng kể. Liệu rằng biên độ của các sóng di ny có tăng theo chiều cao hay không. Kết quả ny có liên quan với hiệu ứng mật độ trong lý thuyết Charney-Drazin. - 258 - Hình 9.6 So sánh nhiệt độ tầng bình lu bằng cân bằng bức xạ với nhiệt độ tầng bình lu tính trung bình theo vĩ tuyến quan trắc đợc đối với tháng 7: (a) cân bằng bức xạ, theo K. P. Shine và dựa trên những tính toán mở rộng của Shine (1987); (b) quan trắc từ số liệu khí hậu của Fleming và cộng sự (1990). Khoảng giữa đờng đẳng trị 10K, vùng đậm chỉ nhiệt độ nhỏ hơn 60 o C Vo giữa mùa hè, sự chiếu sáng của mặt trời ở vùng cực đạt cực đại. Góc thấp của mặt trời tơng ứng đợc bù lại nhiều hơn bởi ngy di ở các vĩ độ cao. Trong tầng đối lu, quá trình tán xạ v hấp thụ bức xạ mặt trời dọc theo tia bức xạ đi qua khí quyển trên quãng đờng di do đó độ nắng thậm chí lớn hơn ở mùa hè nhiệt đới. Tuy nhiên trong tầng bình lu, sự khuếch tán v hấp thụ bức xạ mặt trời lại ít quan trọng. Cực đại nhiệt độ đạt đợc ở mùa hè, gradien nhiệt độ hớng cực l đặc trng của tầng bình lu trong mùa hè. Cân bằng gió nhiệt tơng ứng với độ đứt gió đông trong tầng bình lu, thật vậy, tại mực khoảng 50hPa, đới gió đông thiết lập trong suốt bán cầu mùa hè. Các dòng chuyển tiếp giữa mùa đông v mùa hè rất đáng quan tâm. Sự chuyển tiếp trong mùa thu rất nhịp nhng v phối hợp pha với quy mô thời gian của bức xạ (khoảng 5-20 ngy, tùy thuộc vo độ cao). Khi đốt nóng bức xạ mặt trời bị suy yếu tại cực lân cận các điểm phân thì bắt đầu quá trình v bắt đầu hình thnh xoáy thuận nhỏ trên vùng cực. Đới gió tây đặc trng cho mùa hè vẫn ổn định ở miền ôn đới. Xoáy vùng cực tăng cờng v mở rộng cho đến khi dòng xiết ban đêm vùng cực bị nhiễu động mạnh đợc hình thnh, trong khi đó đới gió đông rút lui về phía miền nhiệt đới. Sự chuyển tiếp thờng kết thúc vo cuối tháng 11. Sự chuyển biến mùa xuân có phần đột ngột hơn. Đôi khi chỉ với quy mô một vi ngy, đới gió tây nhanh chóng bị suy yếu. Hon lu xoáy nghịch lm suy yếu xoáy vùng cực v thay thế chúng. Cùng lúc đó, nhiệt độ tăng nhanh trên các vùng cực. Sự nóng lên đột ngột ở tầng bình lu đó l các hiện tợng synôp đột ngột nhất ở phần giữa của khí quyển. Sự biến đổi đột ngột của hon lu l nguyên nhân của hệ thống gió đông trong mùa hè. Khi quá trình đốt nóng xảy ra muộn trong mùa đông thì nó có thể đánh dấu sự suy yếu cuối cùng của hon lu mùa đông. Đới gió đông tồn tại cho đến mùa thu tiếp theo. Nhng nếu trong mùa đông, đốt nóng đến sớm hơn hoặc yếu hơn, thì đới gió sẽ tiến dần tới dòng khí mùa đông bình thờng, tơng ứng với quy mô thời gian bức xạ. - 259 - Hình 9.7 biểu diễn kết quả điển hình của quá trình đốt nóng ở tầng bình lu. Mặc dù sự biến đổi của gió rất đột ngột nhng các xoáy nghịch vẫn hình thnh bên ngoi xoáy vùng cực một thời gian trớc khi có quá trình đốt nóng. Sự biến đổi đột ngột trong qúa trình đốt nóng, xảy ra trong quy mô thời gian chỉ vi ngy cho thấy nguồn gốc động lực đối với hiện tợng ny. Sự lan truyền của các nhiễu động từ các mực thấp hơn dờng nh có v có mối liên quan giữa sự đốt nóng v các dị thờng dơng nh quá trình ngăn chặn trong tầng đối lu. Sự chuyển biến trong tầng bình lu của Nam Bán Cầu ít đột ngột hơn còn dòng xiết ban đêm ở vùng cực ít bị nhiễu động hơn. Điều ny có thể phản ánh các sóng di dừng yếu hơn trong tầng đối lu của Nam Bán Cầu. Trạng thái ít nhiễu động của xoáy nam cực có vai trò rất quan trọng trọng sự hình thnh lỗ thủng tầng ôzon rất lớn phát hiện đợc trong những năm gần đây trên Nam Cực. Sự suy yếu của các nhiễu động lm cho không khí bị chặn trong xoáy vùng cực trong thời gian di v do đó các phản ứng phá vỡ cấu trúc phân tử có đủ thời gian xảy ra. Hình 9.7 Kết quả các trờng synôp tại mực 10hPa trong thời kỳ có hiện tợng nóng lên của tầng bình lu. Đờng liền chỉ độ cao địa thế vị, khoảng giữa đờng đẳng trị là 500m, vùng đậm chỉ những giá trị lớn hơn 31km. Đờng đứt chỉ nhiệt độ, khoảng giữa đờng đẳng trị là 5K, với đại lợng giữa 210K và 220K đợc tô đậm. Đờng vĩ tuyến bên ngoài tại 30 o N. (a) ngày 23/12/1981; (b) 26/12/1981 - 260 - Hình 9.7 (tiếp) (c) ngày 29/12/1981; (d) 02/01/1981 (Theo A.Oneill) Lý thuyết về sự lan truyền sóng Rossby theo phơng thẳng đứng trong Chơng 6 trong việc giải thích các kết quả thám sát nói tới trong phần ny. Đồng thời, các xoáy trong tầng bình lu vo mùa đông tạo ra thông lợng nhiệt v động lợng rất lớn lm biến đổi trạng thái trung bình vĩ hớng. Nh các kết quả nghiên cứu trình by trong mục 6.4 cho thấy sự lan truyền của sóng v tơng tác của chúng với các dòng trung bình l các vấn đề có liên quan với nhau. Ta sẽ trở lại thảo luận vấn đề ny trong mục tiếp theo. 9.2 Sự lan truyền sóng v tơng tác của dòng trung bình Các điều kiện cần để sự lan truyển theo phơng thẳng đứng của sóng Rossby l nguyên nhân của sự vắng mặt của các sóng trong tầng bình lu vo mùa hè v các nhiễu động sóng di của dòng xiết ban đêm vùng cực quan trắc thấy trong mùa đông. Hình 6.19 cho ta thấy sóng Rossby sẽ suy yếu theo phơng thẳng đứng nếu gió vĩ hớng l gió đông. Do đó, ta có thể thấy dòng trung bình trong tầng bình lu vo mùa hè phần lớn l không nhiễu động do sự lan truyền sóng. Hơn nữa, các dòng ny có tính đối xứng trục rất cao. Điều bất ngờ nhất l nó không bị nhiễu động mạnh bởi các xoáy tức thời. Lý thuyết mục 6.4 có thể thay đổi một cách dễ dng để áp dụng cho trờng hợp lan truyền sóng với tốc độ pha l c. Kết quả nhận đợc dễ dng bằng cách thay thế U bằng U- c trong phơng trình (6.43). Tốc độ pha của sóng Rossby trong tầng bình lu nhìn chung l nhỏ hơn so với tốc độ gío trong đới gió đông tầng bình lu trong mùa - 261 - hè. Có khả năng nó lan truyền trong đới gió tây, tơng tự nh trong tầng bình lu mùa đông có thể xảy ra trong đới gió tây. Các sóng di nhất có thể lan truyền nhanh nhất, trong khi đó các sóng ngắn hơn dễ bị mờ nhạt. Hiệu ứng lọc của tầng bình lu ổn định trong đới gió tây đợc minh hoạ trên Hình 9.1, đợc giải thích một cách dễ dng. Tất nhiên, lý thuyết từ mục 6.4 có sự lý tởng hoá rất cao, v sự giả thiết hằng số N v U rất gần với sự thực. Công thức Eliasen-Palm cho ta một cách mở rộng lý thuyết cho các điều kiện tổng quát hơn. Trong phần ny, ta sẽ tập trung chú ý vo tình hình mùa đông để đánh giá các tính chất của các khả năng vận chuyển của các sóng hnh tinh tầng bình lu. Dòng nhiệt đợc vận chuyển bởi sự lan truyền thẳng đứng của sóng Rossby đợc đa vo phơng trình (6.53) đối với hình thể đơn giản nhất của sự lan truyền thẳng đứng trong một vùng gió vĩ hớng đồng nhất. Ngoi dòng nhiệt đợc vận chuyển trực tiếp bởi các xoáy còn có sự vận chuyển nhiệt bởi xoáy gián tiếp bởi ảnh hởng của xoáy đối với hon lu trung bình kinh hớng. Tính chung hiệu ứng ny xác định ton bộ lợng nhiệt đợc các xoáy vận chuyển. Các ý tởng tơng tự cần đợc thảo luận về sự vận chuyển của một số yếu tố nh ôzon bởi hon lu tầng bình lu trong mùa đông, vấn đề ny sẽ đợc đề cập lại trong mục tiếp theo. Xoáy v các thnh phần kinh hớng của dòng n hiệt có xu hớng bị triệt tiêu, kết quả của quá trình đã đợc trình by trong mục 4.4. Trong đó chúng tôi đã chỉ ra rằng cực đại của dòng nhiệt xoáy hớng cực ở miền ôn đới sẽ tạo nên hon lu nhiệt trung bình kinh hớng gián tiếp. Hon lu kinh hớng ny có xu thế vận chuyển nhiệt đi xuống v về phía xích đạo, trong khi đó dòng nhiệt trực tiếp do các xoáy lại có hớng ngợc lại. Để có đợc một lập luận chặt chẽ hơn, ta sẽ quay trở lại các phân tích trong mục 4.4, ở đây ta dùng độ cao giả z lm toạ độ thẳng đứng do vấn đề có liên quan với tầng bình lu. Các phơng trình trung bình Eulerian trong các toạ độ Đềcác địa phơng đợc cho ra trong các phơng trình (4.27) v (4.28) cùng với phơng trình gió nhiệt (4.29). Thay độ cao giả z vo ta có thể viết lại nh sau 1 ** Fvu y vf t u (9.1) Qv y w g N t ** 2 R (9.2) Cùng với phơng trình cân bằng gió nhiệt y g z u f R (9.3) v phơng trình liên tục 0w z 1 y v R R (9.4) Ta sẽ có một phép biến đổi hữu ích đối với các phơng trình trên nếu ta định nghĩa phần gió d dới dạng [...]... phơng trình (9 .5a,b) Xét các điều kiện dừng, dòng không ma sát v đoạn nhiệt, các phơng trình TEM cho ta một kết quả quan trọng, gọi l định lý Eliassen-Palm Xét trờng hợp đặc biệt, dòng dừng, không ma sát v đoạn nhiệt Khi đó các phơng trình TEM có dạng sau f v r 1 F R s 2 wr 0 (9 .8a) (9 .8b) Phơng trình (9 .8b) kết hợp với phơng trình liên tục, trong đó [w]r = [v]r =0, v vì vậy .F 0 (9 . 9) Phơng trình... Cl do hoạt động của con ngời - 266 - Hình 9. 10 Mặt cắt thẳng đứng vĩ đ - ộ cao của độ tập trung ôzon đối với (a) tháng 1; (b) tháng 3, dựa trên số liệu khí hậu CIRA của Fleming và cộng sự (1 99 0) Khoảng giữa đờng đẳng trị là 1018phân tử/m3, vùng đậm có giá trị vợt quá 3 x 1018 phân tử/m3 Trong phần lớn tầng bình lu, tốc độ hình thnh v phá huỷ ôzon tơng đơng với quy mô thời gian động lực, nên ôzon trong... lợng ta tính đợc mật độ số của phân tử ôzon, n3, l J k n n3 n2 2 2 M J k 3 3 1/2 (9 .1 7) trong đó n2 v nM tơng ứng l mật độ số của phân tử ôxy v chất xúc tác M, k2 v k3 tơng ứng l tốc độ phản ứng của các phơng trình (9 .1 2) v (9 .1 4) v J2, J3 l tốc độ quang phân ly có liên quan tới các phản ứng (9 .1 1) v (9 .1 3) Tốc độ quang phân ly ny phụ thuộc vo sự phân bố của ôzon, vì chúng đặc trng cho lợng tia... R z Rz wr w v * * y Rz (9 .5a) (9 .5b) Phần gió kinh hớng d vẫn thoả mãn phơng trình liên tục cho nên nó xác định một hon lu kinh hớng d Thay vo các phơng trình nhiệt động lực v phơng trình động lợng ta có u 1 f v r F F1 (9 . 6) t R R N 2 wr Q t g (9 . 7) Các phơng trình ny đợc gọi l phơng trình biến đổi Eulerian trung bình (TEM) Lu ý rằng, số hạng xoáy chỉ xuất hiện rõ rng... xúc tác, thờng cuốn các thnh phần xúc tác của khí quyển, có thể lm thay đổi phản ứng hoá học trong sơ đồ Chapman Thứ hai l sự vận chuyển khí quyển có thể phân bố lại ôzon - 268 - Sự biến dạng quan trọng nhất về mặt hoá học l chất xúc tác trong phản ứng phân huỷ ôzon Giả sử các chất đó l X Khi đó quá trình phân hủy ôzon đợc viết nh sau X + O3 XO + O2 (9 .18a) XO + O X + O2 (9 .18b) Các quá trình trên chủ... (9 .2 0) E c3 giảm theo cE theo quy luật hm mũ với qui mô thời gian E Điều kiện ny sẽ đợc thoả mãn nếu c3 không khác quá nhiều so với cE v có thể l một phép sấp xỉ hữu ích đối với mục đích giáo dục Lu ý rằng phơng trình (9 .1 9) đợc coi nh một dạng phơng trình nhiệt động lực l các số hạng của ; đạo hm c3 không ảnh hởng trực tiếp đến chuyển động của khí quyển nh Lấy trung bình vĩ hớng phơng trình (9 .1 9) . .. dụng hệ thống máy tính mạnh nhất hiện có Hiện đang tiến hnh đo sự tăng hiệu ứng phá huỷ của hoạt động công nghiệp đối v với tầng ôzon Hình 9. 14 Hàm dòng kinh hớng lấy tỷ trọng theo khối lợng trong tầng bình lu do ảnh hởng của phân bố các loại bình lu hoá học quan trắc đợc đối với (a) tháng 01/ 197 9 và (b) tháng 03/ 197 9 (Theo Solomon và cộng sự, 198 6) Các mô hình có thể đợc sử dụng để ớc lợng hon lu khối... nhiệt mặt rất mạnh Hình 9. 19 Mặt cắt thẳng đứng qua nếp gấp của đỉnh tầng đối lu Đờng đậm chỉ đỉnh tầng đối lu xác định bởi mặt 1PVU (Shapiro, 198 0) - 2 79 - 9. 5 Bi tập 9. 1 Sử dụng quan hệ tĩnh học để ớc lợng độ cao của các mặt đẳng áp a 30hPa b 10hPa c 1hPa Có thể giả thiết rằng nhiệt độ tầng bình lu không đổi theo chiều cao v bằng 220K 9. 2 Tính giá trị đặc trng của tần số Brunt- Vaisala N trong phần... đứng sao cho R v ** 0 z (9 .1 0) Tức l, phơng trình (9 . 9) đợc thoả mãn nếu [u* v*] = 0 ý nghĩa vật lý của phơng trình ny l mặc dù có mối liên quan giữa dòng nhiệt hớng cực v sóng Rossby nhng nó vẫn cân bằng với dòng nhiệt hớng về xích đạo đợc vận chuyển bởi hon lu trung bình Eulerian đã phát sinh - 262 - Ta đã sẽ xét các hình thế khác trong đó lý thuyết Eliassen-Palm không đúng Thông lợng nhiệt... tử đủ mạnh O2 + hv O + O (9 .1 1) Năng lợng cần thiết để quang phân ly phân tử ôxy cho thấy l phản ứng ny chỉ có thể hoạt động đối với bớc sóng nhỏ hơn 246nm Nguyên tử ôxy đợc sinh ra do một phản ứng mạnh hơn, v nhanh chóng kết hợp với nhau thnh các phân tử thích hợp, trong đó có phân tử (gồm hai nguyên t ) ôxy Phản ứng đầu tiên tạo ra ôzon l O + O2 + M O3 + M - 267 - (9 .1 2) trong đó, M l phân tử thứ . Đờng vĩ tuyến bên ngoài tại 30 o N. (a) ngày 23/12/ 198 1; (b) 26/12/ 198 1 - 260 - Hình 9. 7 (tiếp) (c) ngày 29/ 12/ 198 1; (d) 02/01/ 198 1 (Theo A.Oneill) Lý thuyết về sự lan truyền sóng Rossby. trên Bắc Bán Cầu. (a) 300hPa (khoảng 9km); (b) 100hPa (khoảng 17km); (c) 30hPa (khoảng 26km) và (d) 10hPa (khoảng 34km). Khoảng giữa đờng đẳng trị là 10 7 m 2 s -1 Lý thuyết trình by trong. trình (4 .2 7) v (4 .2 8) cùng với phơng trình gió nhiệt (4 .2 9) . Thay độ cao giả z vo ta có thể viết lại nh sau 1 ** Fvu y vf t u (9 . 1) Qv y w g N t ** 2 R (9 . 2) Cùng