Giáo trình Vật lý khí quyển: Phần 2

Giáo trình Vật lý khí quyển: Phần 2 tiếp tục trình bày các nội dung chính sau: Chế độ nhiệt; Chuyển động đối lưu trong khí quyển; Động lực học khí quyển; Hoàn lưu khí quyển;... 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 2 Giáo trình Vật lý khí quyển CHƢƠNG IV: CHẾ ĐỘ NHIỆT 4.1. Cán cân nhiệt Bức xạ mặt trời khi đi qua khí quyển, chỉ một ít bị không khí hấp thụ. Nhƣng ở mặt đất và nƣớc thì bị hấp thụ mạnh. Bức xạ này chuyển thành nhiệt năng truyền sâu xuống đất và không khí lân cận thông qua sự dẫn nhiệt. Ngoài ra mặt đất còn liên tục trả lại nhiệt bằng bức xạ hiệu dụng. Nghĩa là quá trình nóng lên và lạnh đi của mặt đất đƣợc xác định thông qua sự thu - chi nhiệt lƣợng. Cán cân nhiệt xác định nhiệt độ và các tính chất khác của lớp không khí gần mặt đất. Về ban ngày: Q1 = S - R - E* - V - L - B (4.1) Trong đó: S: Bức xạ mặt trời (trực tiếp và khuyếch tán thu đƣợc); R: Bức xạ phản hồi; E*: Bức xạ hiệu dụng; V: Lƣợng nhiệt chi cho sự bốc hơi; L: Nhiệt trả cho các lớp không khí lân cận bằng cách trao đổi đối lƣu và loạn lƣu; B: Thông lƣợng nhiệt đi sâu xuống đất. Đơn vị đo của các đại lƣợng đều tính là [Calo/ cm2.phút]. V L R S E* E* L V Ban ngµy Ban ®ªm B B Hình 4.1. Cán cân nhiệt 7172 Giáo trình Vật lý khí quyển Ban đêm không có bức xạ mặt trời. Mặt đất liên tục bị mất nhiệt bằng bức xạ, nên dần dần lạnh đi và trở nên lạnh hơn cả không khí ở lân cận. Do đó bắt đầu có nhiệt dồn tới mặt đất từ dƣới đất sâu lên cũng nhƣ từ trên không khí xuống. Ngoài ra, ban đêm sự bốc hơi thƣờng hay ngừng lại và đƣợc thay thế bằng quá trình ngƣợc với nó là sự ngƣng kết hơi nƣớc trên mặt đất (sự hình thành của sƣơng), kèm theo đó có ẩn nhiệt toả ra. Nhƣ vậy còn xuất hiện thêm một luồng nhiệt dồn tới mặt đất do ngƣng kết. Biểu thức cân bằng nhiệt đƣợc viết: Q2 = -E* + L + V + B (về ban đêm) (4.2) V: Nhiệt thu đƣợc từ sự ngƣng kết B: Nhiệt từ những lớp đất ở sâu hơn truyền tới L: Nhiệt từ không khí truyền tới (bằng sự trao đổi loạn lƣu của các khối lƣợng) Công thức tổng quát đƣợc viết cho cả ban ngày và đêm là: Q = S - R - E*  L  V  B (4.3) Những thành phần riêng biệt của cân bằng có thể không có mặt, tức là bằng không. Ví dụ, ban đêm S=0, R=0. Những dấu  của L, V và B cho biết rằng những thông lƣợng nhiệt có thể có những hƣớng khác nhau trong những trƣờng hợp khác nhau. Độ lớn của cân bằng Q là lƣợng nhiệt mà lớp đất ở trên mặt thực tế thu đƣợc hoặc mất đi trong một đơn vị thời gian làm cho nhiệt độ của nó thay đổi. Nếu c là nhiệt dung của lớp đất ở trên mặt (một lát rất mỏng có đáy bằng 1cm2), T là độ biến thiên nhiệt độ của nó trong một đơn vị thời gian, ta có thể viết: c. T = Q  T = Q/c (4.4) Nếu cân bằng Q là dƣơng thì T sẽ dƣơng, tức là nhiệt độ của mặt đất tăng lên và ngƣợc lại khi Q âm thì nhiệt độ mặt đất sẽ giảm. 7372 Giáo trình Vật lý khí quyển 4.2. Cân bằng nhiệt lƣợng Cân bằng nhiệt lƣợng có liên hệ mật thiết với cân bằng bức xạ. 1) Phƣơng trình cân bằng nhiệt lƣợng của mặt đất. B + LE + M + QS = 0 (4.5) Trong đó: B: Cân bằng bức xạ LE: Nhiệt lƣợng bốc hơi hoặc nhiệt lƣợng ngƣng kết. M: Thông lƣợng nhiệt chảy xiết giữa mặt đất và tầng không khí. QS: Tổng số của nhiệt lƣợng trao đổi (w) giữa mặt đất và tầng dƣới của không khí với nhiệt lƣợng truyền theo bình lƣu. Số hạng biểu thị sự truyền nhiệt lƣợng cho lớp mặt hoạt động đều mang dấu dƣơng, ngƣợc lại mang dấu âm. Trên mặt biển, QS bằng tổng của hai bộ phận: Nhiệt lƣợng trao đổi (w) ở tầng phía trên của nƣớc (nhiệt độ tầng này có biến đổi năm) và sự thu chi (F) về nhiệt lƣợng do tác dụng truyền theo chiều nằm ngang trong vòng nƣớc tạo thành. Xét tình hình trung bình trong một năm thì bộ phận thứ nhất bằng không. QS chỉ bằng nhiệt lƣợng thu đƣợc hoặc chi mất do tác dụng trao đổi nhiệt lƣợng theo chiều nằm ngang (chủ yếu do hải lƣu) gây ra. Trên lục địa QS bằng nhiệt lƣợng trao đổi (w) của thổ nhƣỡng. Vì cân bằng bức xạ ban đêm là B = - E*, nên phƣơng trình cân bằng nhiệt lƣợng ban đêm ở mặt thổ nhƣỡng có dạng: E* = LE + M + w (4.6) Ban đêm khi độ ẩm không khí có nhiệt độ đến gần điểm sƣơng thì quá trình bốc hơi của nƣớc sẽ thay bằng quá trình ngƣng kết của hơi nƣớc, đồng thời trên mặt thổ nhƣỡng hoặc mặt thực vật còn có sƣơng móc hình thành hoặc nhiệt phóng ra trong quá trình bốc hơi. Xét trung bình năm thì nhiệt lƣợng trao đổi của thổ nhƣỡng bằng không. Nên phƣơng trình cân bằng nhiệt lƣợng: 7374 Giáo trình Vật lý khí quyển B + LE + M = 0 (4.7) Khi tính cân bằng bức xạ B phải biết tổng bức xạ và bức xạ hữu hiệu. Vì số liệu quan trắc không nhiều, nên có thể dùng công thức (Ăng- Strom - Sa-vi-nốp) để tính tổng bức xạ và bức xạ hữu hiệu. Nhiệt lƣợng bốc hơi có thể tính theo thực nghiệm Su-Lay-kin LE = - Lau (qs - q) (4.8) Trong đó: u: Tốc độ gió qs: Độ ẩm riêng của không khí bão hoà khi nhiệt độ bằng nhiệt độ nƣớc. q: Độ ẩm riêng của không khí a: Hệ số tỷ lệ Thông lƣợng nhiệt chẩy xiết giữa mặt biển và khí quyển M = - cpau (θw - θ) (4.9) Trong đó: qw và q là nhiệt độ mặt nƣớc và nhiệt độ không khí cp: Nhiệt dung của không khí (p = const) B a ...