Giáo trình Vật lý khí quyển: Phần 1

Giáo trình "Vật lý khí quyển" được biên soạn với mục đích đáp ứng yêu cầu các chương trình đào tạo đại học và trên đại học chuyên ngành khí tượng thủy văn, phòng chống thiên tai và phát triển bền vững. Phần 1 trình bày các nội dung chính sau: Thành phần và cầu trúc khí quyển; Áp suất khí quyển; Bức xạ mặt trời;... Mời các bạn cùng tham khảo để nắm nội dung chi tiết.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Giáo trình Vật lý khí quyển: Phần 1 PGS. TS. NGUYỄN VĂN THẮNG GIÁO TRÌNH VẬT LÝ KHÍ QUYỂN NHÀ XUẤT BẢN TÀI NGUYÊN-MÔI TRƯỜNG VÀ BẢN ĐỒ VIỆT NAM Giáo trình Vật lý khí quyển LỜI NÓI ĐẦU V ật lý khí quyển là khoa học nghiên cứu các hiện tƣợng và quá trình vật lý khác nhau xảy ra trong khí quyển nhƣ phát xạ, đốt nóng - làm lạnh, chu trình chuyển đổi các pha: Hơi nƣớc - nƣớc - đá, và nhất là các chuyển động của khí quyển trong các qui mô và môi trƣờng khác nhau. Nói cách khác, theo nghĩa rộng, môn vật lý khí quyển là khoa học nghiên cứu về bức xạ mặt trời, cân bằng nhiệt lƣợng, cân bằng lƣợng nƣớc và hoàn lƣu khí quyển và có thể coi môn học vật lý khí quyển là khoa học cơ sở lý luận của khí hậu học. Vật lý khí quyển luôn tiến đến kết quả cuối cùng là tìm kiếm cách thức dự báo các hiện tƣợng khí quyển – đại dƣơng. Tất nhiên, những khó khăn trong dự báo còn phụ thuộc vào hiểu biết của con ngƣời về các qui luật vật lý điều khiển các dòng chảy không khí một cách định lƣợng. Việc cung cấp kiến thức đầy đủ cho các chƣơng trình đào tạo đại học và sau đại học về vật lý khí quyển: Thành phần khí quyển; Áp suất khí quyển; Bức xạ mặt trời; Chế độ nhiệt; Chuyển động đối lƣu trong khí quyển; Động lực học khí quyển và Hoàn lƣu khí quyển luôn là một yêu cầu cấp thiết. Giáo trình 'Vật lý khí quyển' đƣợc biên soạn với mục đích đáp ứng yêu cầu các chƣơng trình đào tạo đại học và trên đại học chuyên ngành khí tƣợng thủy văn, phòng chống thiên tai và phát triển bền vững. Trong quá trình biên soạn giáo trình, chúng tôi đã nhận đƣợc sự giúp đỡ quý báu của Viện Khoa học Khí tƣợng Thủy văn và Biến đổi khí hậu và đông đảo các đồng nghiệp trong và ngoài ngành. Các tác giả chân thành cảm ơn sự giúp đỡ quý báu đó. Xin chân thành cảm ơn. TÁC GIẢ 11 Giáo trình Vật lý khí quyển CHƢƠNG I: THÀNH PHẦN VÀ CẦU TRÚC KHÍ QUYỂN 1.1. Thành phần khí quyển + Thành phần khí quyển phụ thuộc vào 4 nhóm chất tồn tại trong khí quyển, đó là: - Các nhóm chất khí chính cơ bản nhƣ: Nitơ (N2), Ôxi (O2) và Acgôn (A) có lƣợng không thay đổi và tồn tại đến độ cao của tầng nhiệt (Turbopausa). Trong số này còn có hơi nƣớc (H2O), tuy nhiên lƣợng hơi nƣớc trong không khí thay đổi mạnh theo thời gian và không gian. - Các chất khí ít ổn định là những chất hoá học bền vững, nhƣng có lƣợng ít nhƣ khí Cácbonnic (CO2), Ôxít Các bon (CO), Mê tan (CH4). Thêm vào số này còn có Ozon tầng đối lƣu và tầng bình lƣu, có thể coi tƣơng đối ổn định. - Các phân tử chƣa bão hoà và không ổn định (trong hoá học gọi là các 'xúc tác tự do'). Các chất này có số lƣợng ít nhƣng hoạt tính hoá học rất mạnh, nhanh chóng tạo thành và phân huỷ (thỉnh thoảng với nhóm 1 và 2) - CH3OOH, CH2O, NO, HO2, OH và tƣơng tự. Thêm vào số này còn có Ozon tầng cao của khí quyển. - Các Sol khí là những hạt rất nhỏ cứng hoặc lỏng của các chất khác nhau lơ lửng trong không khí (khói, bụi, hạt mây, sƣơng mù...). Trong không khí sạch và khô (là không chứa hơi nƣớc và những hạt chất rắn và chất nƣớc nào cả), lƣợng các chất nhƣ sau: Bảng 1.1: Các chất khí trong khí quyển (không tính đến hơi nước) Những CO2 N2O N2 (O2) A Ne CH4 Kr H2 chất cơ Khí 2-Ôxit bản Nitơ Ôxi Acgon Neon Mê tan Kripton Hydro Cácbonnic Nitơ Lƣợng chứa % 78,08 20,95 0,93 0,03 1,8x10-3 1,2-1.5x10-4 1,4x10-4 5x10-5 3,5x10-3 theo thể tích Mật độ so với 0,97 1,11 1,38 1,53 không khí Phân tử 28 32 39,9 44 20,2 16 83,8 2 44 lƣợng 32 Giáo trình Vật lý khí quyển - Nitơ N2 chiếm 78,08% về thể tích rất trơ (khí trơ) và hầu nhƣ không tham gia hấp thụ năng lƣợng và chuyển thành hợp chất trong khí quyển. Chỉ trong lớp thổ nhƣỡng có một số loại vi khuẩn sử dụng Nitơ, bằng cách đó chuyển vào thành phần cơ thể sống và đồng thời thả vào khí quyển một lƣợng không lớn 2-Ôxit Nitơ (N2O) có mặt trong tầng đối lƣu khoảng 3,510-5 % thể tích. Hai Ôxit Nitơ sau đó có thể tạo ra Ôxit Nitơ (NO) đóng một vai trò nhất định trong việc hình thành tầng ion. Năng lƣợng cần để tách phân tử N2 là khoảng 9,76ev (1ev = 1,60210-19J. Lƣợng tử có năng lƣợng 1ev tƣơng ứng với bƣớc sóng l = 1,2394µm). Còn đối với Ôxi thì cần năng lƣợng 5,12ev với l = 127nm. Nhƣ vậy, việc điện phân N2 chỉ có thể xẩy ra ở những độ cao rất cao (trên 100km) nơi đã không còn có O2. Acgon (A) hầu nhƣ bị động (cũng nhƣ Neon, Kripton và Csêton). Trong tầng nhiệt quyển vì là một chất khí nặng nên nó không có. Heli (He) đƣợc tạo thành thông qua phản ứng phóng xạ. 1.2. Cấu trúc khí quyển và các lớp khí quyển Khí quyển là một vỏ bọc bằng khí quanh trái đất có trọng lƣợng (kể cả phần thể tích do lục địa chiếm ở trên bề mặt biển) 5,157x 1015 tấn = 1/triệu trọng lƣợng trái đất (5,98x1021 tấn). Trái đất có dạng hình Elíp quay với nửa trục xích đạo là 6.378,2km, nửa trục cực là 6.356,9km (độ nén khoảng 1/298,24). Bề mặt trái đất trên mặt nƣớc biển là 510.075.800km2, chu kỳ vòng quay quanh trục là 23 giờ 56 phút 4,1 giây. Đến gần độ cao 200km, không khí bám theo trái đất nhƣ lớp mỏng đều nhau mọi nơi (theo phƣơng ngang). Nhƣng cao hơn 200km thì nhiệt độ và mật độ không khí thay đổi mạnh theo thời ...