Thời tiết và khí hậu - Phần 3 Phân bố và chuyển động của không khí - Chương 8 doc

Mô hình ba nhân Mô hình ba nhân phân chia hon l‡u của mỗi bán cầu thnh ba nhân riêng biệt: nhân Hadley do nhiệt điều khiển lm cho không khí hon l‡u giữa vùng nhiệt đới v các vùng c

Phần 3 - Phân bố v} chuyển động

của không khí

Ch€ơng 8 Hoˆn l€u khí quyển vˆ phân bố áp suất

Trong mùa hè năm 1999, những bộ phận rộng lớn ở miền đông n‡ớc Mỹ vCanađa đã trải qua một số tuần rất nóng, nhiệt độ liên tục giữ cao hơn 38 oC Nhiệt

độ cao, cộng với m‡a ít, đã cng lm căng thẳng vấn đề thiếu n‡ớc 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 D‡ơng, bị trong rơi vo tình trạng khô hạn tồi tệ nhất trong nhiều thập niên Các dòng chảy sông v mực n‡ớc 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 n‡ớc phí phạm nh‡ t‡ới v‡ờn v rửa xe

Hình 8.1 Hoa m †u bị khô héo do khô hạn kéo d†i

Thiệt hại nông nghiệp ‡ớc tính khoảng 800 triệu đô la Nóng v khô hạn đã lm suy giảm nghiêm trọng sản l‡ợng thu hoạch của nhiều nông dân Những ng‡ờikhác lại bị dính một vấn đề khác: sản phẩm chín sớm bất th‡ờng gây nên d‡ thừa hng hóa v hạ giá Những đợt giảm giá nh‡ vậy đã lm cho những chủ trại nh‡Dale Benson ở Delawere không bán nổi sản phẩm của mình tại chợ địa ph‡ơng.Khô hạn còn reo rắc những hnh vi bất th‡ờng của động vật Ví dụ, những con gấu đen đi lang thang ở các vùng ngoại ô những thnh phố lớn để tìm kiếm thức ăn Một con gấu xuất hiện chỉ cách khu trung tâm của Baltimore 15 km, một chú khác

đột nhập vo một phòng ăn gia đình ở gần Stillwater, bang New Jersey

Những sự kiện kiểu ny th‡ờng xuất hiện do các tình thế áp suất một khi đã hình thnh thì giữ ổn định trong những khoảng thời gian di bất th‡ờng Tình hình chỉ nhẹ bớt khi tình thế áp suất thay đổi khác đi cho phép những điều kiện ẩm hơn Trong ch‡ơng 4 chúng ta đã thấy rằng áp suất khí quyển biến thiên từ nơi ny đến nơi khác, nh‡ng sự phân bố của nó ngẫu nhiên Ng‡ợc lại, một số hình thế rất xác

định thống trị sự phân bố của áp suất v tr‡ờng gió trên bề mặt Trái Đất Những hình thế quy mô lớn nhất, gọi l hon l‡u chung, có thể xem nh‡ một nền để trên

đó những sự kiện bất th‡ờng xuất hiện, nh‡ khô hạn vừa mô tả ở trên T‡ơng tự, thậm chí những biến thiên gió v áp suất hng ngy thông th‡ờng có thể xem nh‡

l các sai khác so với hon l‡u chung

Mục đích tr‡ớc hết của chúng ta trong ch‡ơng ny l mô tả những chuyển động gió thống trị ton hnh tinh v xem xét những quá trình phát sinh ra chúng Chẳng hạn, chúng ta xét những quan hệ qua lại giữa tr‡ờng gió với khí quyển lớp trên v khí quyển lớp d‡ới cũng nh‡ những mối liên hệ kết nối diễn ra giữa biên phân cách của bề mặt các đại d‡ơng 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 Ch‡ơng ny sẽ kết thúc với vấn đề t‡ơng tác khí quyển - đại d‡ơng

ông l để giải thích vì sao những ng‡ời đi biển th‡ờng rất hay thấy gió thổi từ phía

đông sang phía tây ở các vĩ độ thấp (Ng‡ời ta gọi gió thổi từ phía đông sang phía tây hoặc từ phía tây sang phía đông l gió vĩ h€ớng; còn gió chuyển động từ phía bắc xuống phía nam hoặc từ phía nam lên phía bắc - l gió kinh h€ớng *) Sơ đồ lý

t‡ởng hóa của Hadley, đ‡ợc thể hiện trên hình 8.2a, đã giả thiết một hnh tinh

đ‡ợc bao phủ bởi một đại d‡ơng duy nhất v đ‡ợc 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 hon l‡u, trong đó không khí bị giãn nở theo ph‡ơng 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 Ng‡ợc lại, ông tin rằng sự quay của Trái Đất sẽ

lm lệch đ‡ờng không khí sang bên phải ở Bắc bán cầu v sang bên trái ở Nam bán cầu, dẫn tới gió bề mặt h‡ớng đông-tây đã thể hiện trong hình vẽ *

* Giú hiӃm khi là thuҫn tỳy vƭ hѭӟng hay thuҫn tỳy kinh hѭӟng, mà ngѭӧc lҥi thѭӡng chuyӇn ÿӝng trong mӝt hѭӟng trung gian Trong trѭӡng hӧp này, chỳng ta sӁ xem giú cú hai hӧp phҫn, mӝt hӧp phҫn vƭhѭӟng và mӝt hӧp phҫn kinh hѭӟng Cú thӇ hai hӧp phҫn bҵng nhau (nhѭ trong giú tõy nam), song núi chung mӝt hӧp phҫn sӁ lӟn hѫn hӧp phҫn khỏc

* Hadley ÿó sӕng trong nhӳng năm 1685-1768, trѭӟc khi Gaspard de Coriolis (1792-1843) mụ tҧ ÿӏnhlѭӧng vӅ lѭӧng gia tӕc do chuyӇn ÿӝng xoay cӫa Trỏi Ĉҩt Mһc dự vұy, Hadley ÿó cú mӝt nhұn thӭc ÿӏnh tớnh vӅ lӵc Coriolis và ỏp dөng nú vào mụ hỡnh cӫa ụng

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 ho†n 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 h‡ớng có thể l do sự lệch h‡ớng của gió kinh h‡ớng Tuy nhiên, ý t‡ởng của ông về một nhân lớn duy nhất trong mỗi bán cầu không đ‡ợc hữu ích cho lắm

Một mô hình có phần hon thiện hơn đã diễn đạt hon l‡u chung một cách khá hơn - mặc dù vẫn rất đơn giản hóa Đó l mô hình ba nhân (hình 8.2b), do nh

khí t‡ợng học ng‡ời Mỹ William Ferrel (1817-1891) đề xuất năm 1865

Mô hình ba nhân

Mô hình ba nhân phân chia hon l‡u của mỗi bán cầu thnh ba nhân riêng

biệt: nhân Hadley do nhiệt điều khiển lm cho không khí hon l‡u 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 ny đã trở nên xác định hơn trong hệ thống thuật ngữ hiện đại của chúng ta, v điều quan trọng lchúng ta hiểu đ‡ợc những đai giả định đó nằm ở đâu

tụ nội chí tuyến đ‡ợc 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 l‡u Dải hội tụ nội chí tuyến l một đới vĩ độ m‡a nhiều nhất trên ton thế giới, nhiều nơi có đến hơn 200

ngy m‡a mỗi năm Hãy hình dung bạn sẽ cảm thấy buồn chán nh‡ thế no trong một môi tr‡ờng nh‡ vậy, những buổi chiều nóng, ẩm với những trận m‡a ro 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 l‡u trên chuyển động về phía cực tới vùng cận nhiệt đới, đến khoảng vĩ độ từ 20o đến 30o Khi di chuyển, không khí đòi hỏi phải tăng chuyển động từ tây sang đông, chủ yếu bởi vì bảo ton

động l‡ợng góc (xem chuyên mục 8-1: Những nguyên lý vật lý: Những vấn đề với mô hình một nhân) Hợp phần h‡ớng tây ny tỏ ra mạnh đến nỗi không khí trôi vòng quanh Trái Đất hai lần tr‡ớc khi đạt tới điểm đến cuối cùng ở các vùng cận nhiệt

đới Nói cách khác, không khí mực trên đi theo một đ‡ờng xoắn lớn ra khỏi các vùng nhiệt đới, trong đó chuyển động vĩ h‡ớng mạnh hơn nhiều so với hợp phần kinh h‡ớng Ngoi những thứ khác, điều ny giải thích vì sao vật chất giải phóng

từ những vụ phun tro núi lửa vùng nhiệt đới lan tỏa nhanh trên một khoảng cách rộng theo kinh độ

* Bҥn cú thӇ phõn võn, “Tҥi sao ba nhõn mà khụng phҧi mӝt con sӕ khỏc?” Nhӳng ÿai giú này xuҩt hiӋnnhӡ sӵ tѭѫng tỏc giӳa tӕc ÿӝ chuyӇn ÿӝng xoay cӫa Trỏi Ĉҩt và graÿien năng lѭӧng giӳa xớch ÿҥo và cỏc cӵc NӃu Trỏi Ĉҩt xoay nhanh hѫn, chỳng ta cú thӇ kǤ vӑng nhiӅu ÿai hѫn Nhѭ sao Mӝc, xoay quanh trөc cӫa nú trong 11 giӡ, cú nhiӅu ÿai, chӭ khụng phҧi chӍ cú ba trong mӛi bỏn cҫu

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 r†o trải rộng từ phía bắc

Nam Mỹ ra ngo†i Thái Bình D~ơng trên

tấm ảnh vệ tinh n†y

Khi đạt tới vĩ độ khoảng 20o đến 30o, không khí trong nhân Hadley chìm xuống phía bề mặt để hình thnh 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 thnh 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 h‡ởng cực tiểu tới giao thông khoảng cách xa ngy nay Nh‡ng ở thời kỳ tiền công nghiệp, khi m các tu viễn d‡ơng phụ thuộc vo gió thì thiếu vắng gió lmột thảm họa Những con tu cắt ngang qua Đại Tây D‡ơng từ châu Âu đến Thế giới mới rất ngại bị dừng giữa đại d‡ơng trong khi đi ngang qua vùng nhiệt đới Nhiều khi hng hóa trên tu l gia súc v ngựa để mang bán cho Thế giới mới vnhiều chuyện kể rằng thủy thủ của các tu bị trễ phải quẳng cả ngựa của mình xuống đại d‡ơng Con tu bị quẳng hng hóa đã vay m‡ợn 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 h‡ớng không khí bề mặt từ vùng áp cao cận nhiệt đới về phía dải hội tụ nhiệt đới, lực Coriolis yếu lm lệch không khí một chút sang phía bên phải để hình thnh đới gió mậu dịch đông bắc (hay đơn giản

l tín phong đông bắc). ở Nam bán cầu, không khí chuyển động về h‡ớng bắc từ cao áp cận nhiệt đới bị lệch sang bên trái để tạo thnh 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 l‡u quyển, những chuyển động h‡ớng đông suy yếu dần v cuối cùng bị thay thế bởi chuyển động h‡ớng tây ở bên trên Tất cả các áp cao cận nhiệt

đới, áp thấp xích đạo, gió tín phong v chuyển động h‡ớng tây ở mực trên cùng nhau hình thnh nên các nhân Hadley Vì do nhiệt sinh ra, hon l‡u Hadley mạnh nhất vo mùa đông, khi građien nhiệt độ lớn nhất

8-1 Những nguyên lý vật lý:

Những vấn đề với mô hình một nhân

Mô hình hon l‡u một nhân của

Hadley l một mô hình đơn giản dựa trên

sự đốt nóng bề mặt Trái Đất không đều

Trái ng‡ợc với mô tả của Hadley, hon

l‡u do chế độ nhiệt chế ngự chỉ chiếm cứ

một dải vĩ độ giữa khoảng 30oN v 30oS

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

chấtbảo toun của mô men góc.

Giống nh‡ một một vật chuyển động

trên một đ‡ờng 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 rng tăng

theo khối l‡ợng 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 đ‡ợc một diện tích

dây lại Vì r giảm, tốc độ phải tăng lên,

ngay cả khi ta không quay mạnh hơn

Chính hiện t‡ợng ny giúp cho vận động

viên nhảy cầu xoay v nho lộn trong

không khí Sau khi rời ván nhảy, mô men

góc của ng‡ời nhảy đ‡ợc cố định Khi gập

ng‡ời lại, ép chân tay vo sát tâm khối, ng‡ời ta sẽ quay rất nhanh Lúc kết thúc

cú nhảy, ng‡ời ta duỗi thẳng ng‡ời ra, giảm tốc độ xoay để tiếp n‡ớc thẳng đứng không quay v nhận đ‡ợc điểm cao Điều

đáng chú ý l ng‡ời 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 đ‡ợc một khoảng cách bằng chu vi của hnh tinh l 40000 km trong chu kỳ 24 giờ Điều ny 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 đ‡ợckhoảng cách ngắn hơn trong thời gian một ngy Ví dụ, tại 40o

thì tốc độ vokhoảng 31000 km/ngy

Bây giờ ta xem điều gì xảy ra khi một khối l‡ợng 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 ton Tại vĩ độ 40o

,

v lớn hơn khoảng 30 %, hay 52000 km/ngy Nói cách khác, phần tử đang chuyển động về phía đông với tốc độ

52000 km/ngy khi nó di chuyển vòng quanh trục xoay Tại vĩ độ đó, bề mặt chỉ

di chuyển với tốc độ 31000 km/ngy, 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/ngy(52000 trừ đi 31000) Đó l một giá trị rất lớn, t‡ơng đ‡ơng 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 Nh‡ng nếu nh‡ vậy, sự bảo ton mô men góc sẽ mang lại cho không khí di chuyển h‡ớng về cực một tốc độ cao không t‡ởng t‡ợng 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 đ‡ợc những dòng gió lớn nh‡ vậy, bởi vì thậm chí chỉ mộtnhiễu động nhỏ ngẫu nhiên sẽ có thể lm

Hình 1 Chuyển động quay của một vật ở đầu dây (a) minh họa cho sự bảo to n 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 thnh 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 ton 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

no ở ngoi hnh tinh của chúng ta tác

động để lm 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

hnh tinh, hay những yếu tố thứ yếu

khác) Một mô men góc đ‡ợc trao đổi giữa

Trái Đất với khí quyển, do lực ma sát, khi

không khí chuyển động tr‡ợt trên bề mặt

Trái Đất Đối với tr‡ờng hợp gió tây, mô

men đ‡ợc truyền từ khí quyển đến bề

mặt Trái Đất, do không khí đ‡ợc “đẩy”

theo h‡ớng của chuyển động quay của

Trái Đất T‡ơng tự, đối với tr‡ờng hợp gió

đông, mô men đ‡ợc truyền từ bề mặt Trái

Đất vo khí quyển

1 hoặc 2 tuần lễ Để tránh đ‡ợc vấn đề ny, 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 vo khí quyển (tính trung bình cho ton bộ Trái

Đất) phải bằng tổng mô men đ‡ợc chuyển

từ khí quyển trở lại lớp bề mặt Do vậy, mô hình một hon l‡u duy nhất l không khả thi áp dụng cho Trái Đất cũng nh‡cho bất kỳ một hnh tinh no chuyển

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 l‡u chuyển không khí giữa các áp cao cận nhiệt đới v các áp thấp cận cực, hay những khu vực áp suất thấp ở

cạnh phía xích đạo của nhân Ferrel, không khí từ cao áp cận nhiệt đới Bắc bán cầu thổi về phía cực bị lệch h‡ớng 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, nh‡ng lực Coriolis lm lệch nó sang bên trái - do đó cũng tạo nên một đới gió tây ở bán cầu ny Không giống nhân Hadley, nhân Ferrel đ‡ợc t‡ởng t‡ợng nh‡ một nhân không trực tiếp, nghĩa l nó không sinh ra từ những chênh lệch về độ đốt nóng, m ng‡ợc lại, đ‡ợc gây nên bởi sự chuyển tiếp của hai nhân kế cận Hãy hình dung ba con bi đ‡ợc đặt liền nhau, từng con bi chạm với con bi khác Nếu hai con bi phía ngoi cùng xoay trong một h‡ớng, thì ma sát sẽ lm cho con bi ở giữa chuyển động Vậy, nhân Ferrel thể hiện cùng một kiểu quay khép kín nh‡ các nhân khác, nh‡ng 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

đ‡ợc xem l những hon l‡u 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 lm lệch h‡ớng không khí để hình thnh 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 hiện thực đủ để có thể quan trắc đ‡ợc 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 honl‡u 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 hon ton thể hiện tốt trong thực tế, mặc dù chúng có một số biểu lộ trong khí hậu thực tế

Nếu xét theo các tr‡ờng gió bề mặt, nhiều vĩ độ trung bình đ‡ợc trải nghiệm các gió tây mạnh m mô hình đã mô tả, đacự biệt ở Nam bán cầu Dĩ nhiên, các

điều kiện địa ph‡ơng th‡ờng hay lm lu mờ mất xu thế (thực tế, nhiều vùng ở phần trung tâm n‡ớc Mỹ bị thống trị bởi một dòng gió nam trong thời gian mùa hè) Để thấy đ‡ợc 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 di,nh‡ng 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 hon ton không hiện thực Chẳng hạn, ở nơi m nhân Ferrel đề xuất chuyển động đông trong đối

l‡u quyển tầng cao thì ở nơi đó lại ngự trị gió tây Hơn nữa, những nhân đổi h‡ớng lớn không tồn tại ở bên ngoi 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 Nh‡ng có lẽ những nh‡ợc điểm của nó không có gì ngạc nhiên, nếu biết rằng nó ch‡a tính đến những t‡ơng phản lục địa - đại d‡ơng hay ảnh h‡ởng của địa hình bề mặt, hai nhân tố chắc chắn phải ảnh h‡ởng tới tr‡ờng gió v áp suất hnh tinh

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, nh‡ng thế giới thực không bị bao phủ bởi một loạt các đai honton khép kín vòng quanh địa cầu Ng‡ợc lại, chúng ta thấy một số nhân áp suất

cao v ˆ thấp bán vĩnh cửu thay đổi, nh‡ đã thể hiện trên hình 8.4 Chúng đ‡ợc

gọi l bán vĩnh cửu bởi vì chúng trải qua những biến đổi mùa về vị trí v c‡ờng 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 thnh 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 D‡ơng v Đại Tây D‡ơng, 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 D‡ơng v Đại Tây D‡ơng, áp thấp Tibet

ở Nam á

Kích th‡ớc, c‡ờng 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 D‡ơng, còn áp cao Bermuda-Azores xuất hiện thnh một xoáy nghịch nhỏ, yếu Trong mùa hè, áp thấp Icelandia suy yếu đi v giảm thiểu về kích th‡ớc, nh‡ng 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 nh‡ờng chỗ cho áp thấp Tibet của mùa hè Nh‡ chúng ta sẽ thấy sau trong ch‡ơng ny, sự chuyển đổi mùa trong phân bố của các nhân bán vĩnh cửu đóng vai trò quan trọng đối với các hình thế hon l‡u quan trọng nhất của Trái Đất - gió mùa của miền nam v đông nam châu á

Chúng ta đã nhắc tới tr‡ớc đây rằng nhân Hadley dễ dng 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 Nh‡ng nh‡ các bạn có thể còn thấy trên hình 8.4, các áp cao cận nhiệt đới tồn tại chủ yếu trên các đại d‡ơng (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 n‡ớc biển cao một cách đáng kể bên trên các khối lục địa cận nhiệt đới, nh‡ng không khí trong đối l‡u quyển tầng trung trải qua các chuyển động giáng, nó hạn chế sự hình thnh mây v thuận lợi cho những điều kiện hoang mạc Hoang mạc Sahara của Bắc Phi, hoang mạc trung tâm nội địa n‡ớc 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 ny

có một ảnh h‡ởng to lớn tới nhiều vùng khí hậu của thế giới - v tới những ng‡ời sống trong đó

(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 ny di chuyển về phía xích đạo Ví dụ, hãy so sánh những hình thế m‡a trung bình của Iquitos, Peru

(vĩ độ 3 S) v San Jose, Costa Rica (vĩ độ 9 N) Iquitos nằm sát xích đạo hơn cho nên nó bị ảnh h‡ởng suốt cả năm bởi dải hội tụ nhiệt đới, còn San Jose có một thời

kỳ khô t‡ơng đối từ tháng 1 đến tháng 3, khi hệ thống áp suất thấp dịch chuyển về phía nam

T‡ơng tự nh‡ vậy, một số khu vực nằm ở rìa phía xích đạo của các cao áp cận nhiệt đới thì khô trong gần hết năm, ngoại trừ một thời kỳ 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‡angắn 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 đến những điều kiện khô (hình 8.5c)

Sự di chuyển của nhân Hadley đã từ lâu hỗ trợ cho một lối sinh hoạt truyền thống, trong đó những ng‡ời chăn thả gia súc châu Phi thích ứng theo những trận m‡a di chuyển lên phía bắc v xuống phía nam Trong những năm 1960 v 1970 dân số của khu vực đã tăng lên một cách ngoạn mục, dẫn tới tình trạng thiếu thức

ăn cho vật nuôi v gây nên tình trạng ở mức thảm họa khi nạn khô hạn nhiều năm tấn công khu vực ny Hng triệu con vật nuôi chính bị chết bởi thiếu thức ăn vn‡ớc, về phía mình chuyện ny dẫn đến cái chết của hng chục nghìn ng‡ời Trong những năm 1990, tình trạng m‡a ít lại xảy ra với Sahel, khô hạn đã dẫn tới nạn chết đói ‡ớc tính của 300000 ng‡ời Nh‡ vậy, sự hiện diện của các nhân ny - vnhững biến động trong quá trình phát triển của chúng ở những năm bất th‡ờng - không còn l những gì triều t‡ợng nữa Chúng có những biểu hiện ở trong thế giới thực đối với hng triệu con ng‡ời

Đối l ~u quyển tầng cao

ở ch‡ơng 4 chúng ta đã thấy rằng áp suất giảm nhanh hơn với độ cao ở nơi no

m không khí lạnh Chúng ta còn biết rằng nhiệt độ ở trong đối l‡u quyển tầng thấp nói chung giảm từ phía các vùng cận nhiệt đới tới các khu vực cực Hai nguyên

lý ny cực kỳ quan trọng để hiểu sự phân bố của gió v áp suất trong đối l‡u quyển tầng cao

Hình 8.6 l bản đồ phân bố ton cầu của độ cao trung bình của mặt 500 mb (một mặt quy ‡ớc thể hiện những điều kiện ở trong đối l‡u quyển tầng trung) cho các tháng 1 v 7 Trong cả hai tháng, độ cao của mực 500 mb thể hiện một xu thế giảm về phía các vùng cực, tuân theo các nhiệt độ thấp hơn tại các vĩ độ cao Trong tháng 1, độ cao trung bình của mặt 500 mb bên trên phần lớn miền nam Hoa Kỳ bằng khoảng 5670 m, còn bên trên miền bắc Canađa nó giảm đến d‡ới 5300 m Tình hình giảm t‡ơng tự nh‡ng ít cực đoan hơn cũng diễn ra trong tháng 7

Có ba đặc điểm quan trọng thể hiện trên các bản đồ ở hình 8.6 Thứ nhất, cả tháng 1 v tháng 7 các độ cao của mực 500 mb lớn nhất bên trên các vùng chí tuyến

v giảm theo vĩ độ Thứ hai, građien độ cao lớn hơn ở bán cầu đang trải qua mùa

đông (Nam bán cầu trong tháng 7 v Bắc bán cầu trong tháng 1) Thứ ba, tại tất cả

các vĩ độ, độ cao của mực 500 mb trong mùa hè lớn hơn so với trong mùa đông Tất cả ba đặc điểm ny l kết quả của sự phân bố chung của nhiệt độ trong khí quyển tầng thấp v tầng 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

Hỡnh 8.6 Ĉӝ cao trung bỡnh cӫa mӵc 500 mb trong thỏng 1 (a) và thỏng 7 (b)

Hỡnh thӃ chӫ yӃu là vƭ hѭӟng vӟi cỏc ÿӝ cao giҧm vӅ phớa cỏc cӵc

Các dòng gió tây trong khí quyển mực cao

Nhớ lại từ ch‡ơng 4 rằng những chênh lệch về độ cao t‡ơng ứng với những chênh lệch áp suất, v khi mặt 500 mb có độ nghiêng lớn thì sẽ tồn tại một lực

građien áp suất lớn Từ đó, chúng ta có thể suy ra từ bản đồ 500 mb rằng luôn luôn

có một lực građien áp suất ở gần các vĩ độ trung bình tác động đẩy không khí về phía các cực Dĩ nhiên, nếu không có ma sát, thì gió không thổi về phía cực, m thổi song song với các đ‡ờng đồng mức độ cao, từ phía tây sang phía đông Lực građien

áp suất mạnh nhất vo mùa đông (các đ‡ờng đồng mức độ cao phân bố xít vonhau), cho nên các dòng gió tây mực cao mạnh nhất xuất hiện vo mùa đông Điều

đó theo bạn có nghĩa gì? Thứ nhất, nó giải thích vì sao hầu hết các hệ thống thời tiết ở vĩ độ trung bình đều di chuyển từ phía tây sang phía đông Nói cách khác, nó cho ta biết vì sao sau 1 hoặc 2 ngy một trận bão ở Chicago phải di chuyển tới miền

bờ phía đông, chứ ít khi một cơn bão nh‡ vậy di chuyển theo h‡ớng ng‡ợc lại

Sự áp đảo của tr‡ờng gió tây trong đối l‡u quyển tầng cao cũng ảnh h‡ởng tới ngnh hng không Ví dụ, một máy bay dân dụng bay từ Chicago đến London có thời gian bay ‡ớc tính 7,5 giờ, trong khi chuyến bay ng‡ợc lại phải lâu hơn 1 giờ, vì phải chống lại gió thổi ng‡ợc Chênh lệch về thời gian bay có thể thậm chí còn lớn hơn nếu nh‡ đ‡ờng bay không tận dụng các dòng gió xuôi v tránh gió ng‡ợc

Hình 8.7 Građien nhiệt độ theo vĩ độ l †m cho các bề mặt nghiêng về phía cực

Trong ví dụ n †y, chúng ta giả sử nhiệt độ giảm dần đều theo vĩ độ Độ lớn của

lực građien áp suất giữ nguyên không đổi theo vĩ độ, nh ~ng tăng theo độ cao

Tốc độ gió nói chung tăng lên theo độ cao từ bề mặt tới đỉnh đối l‡u quyển Một phần đó l do sự giảm ma sát, nh‡ng quan trọng hơn, đó l do lực građien áp suất

th‡ờng tăng lên theo độ cao Nh‡ đã thấy trên hình 8.7, tất cả các mặt thể hiện mực 900, 800 v 700 mb đều nghiêng dần về phía bắc, nh‡ng độ nghiêng không

nh‡ nhau Cng lên cao độ nghiêng cng dốc hơn, có nghĩa l lực građien áp suất cng lớn Bạn có thể nhớ lại từ ch‡ơng 4 rằng lực građien áp suất tỉ lệ thuận với độ nghiêng của các mặt đẳng áp, bất chấp mật độ không khí

Nh‡ng tại sao các bề mặt cao hơn lại có độ nghiêng lớn hơn? Tại điểm B ,

không khí nóng hơn, nên lớp không khí từ mực 900 mb đến 1000 mb dy hơn so với

tại điểm A T ‡ơng tự nh‡ vậy, độ dy từ mực 800 mb đến 900 mb tại điểm B lớn

hơn Nói cách khác, biến thiên độ cao từ B ′ đến B ′′ lớn hơn so với biến thiên từ A′

đến A′′ Do đó mặt 800 mb phải có độ nghiêng dốc hơn mặt 900 mb (B′′− A′′ lớn hơn B′−A′) Chênh lệch về độ cao giữa các mặt nối tiếp tiếp tục tăng lên cao, dẫn tới gió mạnh hơn

Front cực đới v† các dòng xiết

Sự biến thiên dần dần của nhiệt độ theo vĩ độ đ‡ợc minh họa ở hình 8.7 không phải bao giờ cũng xuất hiện trong hiện thực Ng‡ợc lại, các vùng biến thiên nhiệt

độ từ từ th‡ờng nh‡ờng chỗ cho những dải biên hẹp, có độ nghiêng lớn giữa không khí nóng v không khí lạnh Một trong những vùng biên nh‡ thế chính l front cực

đới, đ‡ợc thể hiện trên hình 8.8

Hình 8.8 Dòng xiết cực nằm bên trên front cực đới gần đỉnh đối l ~u quyển

Bên ngoi đới front, những biến thiên nhiệt độ theo vĩ độ thì từ từ (nh‡ trên hình 8.7), v các độ nghiêng của những mặt mực 900, 800 v 700 mb thích ứng theo Nh‡ng trong phạm vi front, độ nghiêng của mặt áp suất tăng lên rất mạnh bởi vì biến thiên về nhiệt độ theo ph‡ơng ngang đột ngột Với các mặt áp suất

nghiêng rất dốc thì lực građien áp suất cũng rất lớn, dẫn đến dòng gió xiết cực

đới Vậy, chúng ta xem các dòng xiết nh‡ l một hệ quả của front cực đới, xuất hiện

do građien nhiệt độ lớn Nh‡ng đồng thời, dòng xiết cũng c‡ờng hóa front cực đới Trong ch‡ơng 10 chúng ta sẽ thấy rằng một dòng xiết l cần thiết để duy trì sự t‡ơng phản nhiệt độ trong front

Dòng xiết cực đới có ảnh h‡ởng to lớn đến thời tiết hng ngy ở các vĩ độ trung bình ở gần xích đạo hơn, có một dòng xiết nổi tiếng khác, dòng xiết cận nhiệt

đới, gắn liền với nhân Hadley Khi không khí mực cao trôi ra từ dải hội tụ nhiệt

đới, sự bảo ton mô men góc góp phần tạo nên chuyển động h‡ớng tây mạnh dần Khi chuyển động về phía đông bắc, dòng xiết cận nhiệt đới có thể mang theo những

điều kiện nóng, ẩm Hình 8.9 thể hiện dòng hơi n‡ớc liên quan tới một dòng xiết cận nhiệt đới

Hình 8.9 Dòng xiết cận nhiệt đới xuất hiện trên ảnh vệ tinh hồng ngoại

th †nh một đai mây mở rộng từ Mexico đến Florida

độ cao nhỏ đ‡ợc gọi l một rãnh, còn các gờ cao lên đ‡ợc gọi l các sống Trên hình cũng thể hiện các đ‡ờng đồng mức độ cao - hãy chú ý rằng các đ‡ờng đó cũng có một đặc điểm dạng sóng l‡ợn Không khí thổi song song với các đ‡ờng đồng mức độ cao, cho nên dòng gió cũng có dạng sóng

Hình 8.11 thể hiện các bản đồ đ‡ờng đồng mức đơn giản hóa diễn tả quan hệ giữa các độ cao của mực 500 mb với các sống v rãnh Trên hình 8.11a không xuất hiện những biến đổi độ cao theo h‡ớng đông-tây (không có rãnh, không có sống) vdòng gió hon ton vĩ h‡ớng Ng‡ợc lại, trên hình 8.11b, có một rãnh ở phần giữa của n‡ớc Mỹ Khi di chuyển từ điểm 1 đến điểm 2, độ cao giảm từ 5610 m xuống

5580 m Từ điểm 2 đến điểm 3 các độ cao lại tăng lên Nói khác đi, từ điểm 1 đến

điểm 3 đòi hỏi chúng ta phải v‡ợt qua một thung lũng (rãnh) các độ cao nhỏ Chúng

ta thấy rằng các đ‡ờng đồng mức độ cao bị di dịch về phía xích đạo ở các rãnh v về phía cực ở các sống Chúng ta cũng thấy rằng không khí đổi h‡ớng của nó về phía cực ở gần các sống v về phía xích đạo ở gần các rãnh sẽ có một hợp phần kinh h‡ớng v một hợp phần vĩ h‡ớng Thật vậy, khi có mặt các sóng biểu lộ rõ nét, chúng ta nói rằng dòng l “kinh h‡ớng”, còn ng‡ợc lại, khi dòng rất giống với dòng gió tây, chúng ta nói nó có tính chất vĩ h‡ớng

Hình 8.10 Bản vẽ giả định về mặt 500 mb Các độ cao giảm từ phía nam lên phía bắc, song cũng tăng lên v † giảm đi ở gần các sống v† các rãnh Những biến thiên thẳng đứng đ~ợc phóng đại trong hình vẽ Những biến thiên độ cao thực tế rất nhỏ so với kích th ~ớc của lục địa

Các sóng Rossby có những biến thiên mùa khác nhau từ mùa hè tới mùa đông Chúng có xu h‡ớng ít hơn vo mùa hè, có b‡ớc sóng di hơn v duy trì tốc độ gió mạnh nhất vo mùa đông Hai đặc tr‡ng sau cùng - tốc độ gió v b‡ớc sóng - có ảnh

h‡ởng 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 đổi nhiệt độ rất chậm trong khi thiếu vắng các chuyển động thẳng đứng, các sóng Rossby có thể mang những nhiệt

độ dị th‡ờng tới bất kỳ nơi no thuộc các vĩ độ trung bình v vĩ độ cao Điều ny

*

Ĉһt tờn theo Carl Gustov Rossby, ngѭӡi cú ÿúng gúp nhiӅu vào cụng cuӝc nghiờn cӭu ban ÿҫu vӅ dũng khụng khớ tҫng cao ÿҫu nhӳng năm 1990

đ‡ợc thể hiện bằng hình 8.13, trên đó biểu diễn một sóng Rossby mạnh bên trên Bắc Mỹ vo ngy 22/9/1995 Các nhiệt độ thấp phá kỷ lục đ‡ợc quan trắc thấy trên hầu khắp phần trung tâm của n‡ớc Mỹ khi sóng ny mang không khí lạnh từ xa ở phía bắc tới Xa hơn về phía tr‡ớc gió, một dòng tây nam đã mang không khí ôn hòa tới cực tây bắc của Bắc Mỹ, cho nên Fairbanks, Alaska đ‡ợc ấm hơn với nhiệt độ khoảng -20oC.

Hình 8.11 Rãnh xuất hiện trong đối l~u quyển tầng trung, ở đây các đ~ờng đồng mức độ cao lấn về phía xích đạo Trong (a) các vị trí 1-3 có mực 500 mb tại độ cao 5610 m Xa hơn về phía nam, ở các vị trí 4-6, mực 500 mb nằm tại 5640 m Trong (b) các đ~ờng đồng mức ở phía bờ

đông v† bờ tây vẫn nằm ở vị trí nh~ trong (a), nh~ng ở phần trung tâm của lục địa chúng đã

di dịch xuống phía xích đạo Do đó, các vị trí 2 v† 5 có áp suất thấp hơn so với các vùng phía

đông v† phía tây của chúng Vùng áp suất thấp ở phần trung tâm của lục địa l† một rãnh thấp

Hình 8.12 Một chuỗi bản đồ mực 300 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 ra quá trình lạnh đi đoạn nhiệt Nh‡ vậy, sự phân kỳ trong khí quyển tầng trên có thể l một cơ chế quan trọng cho phát triển mây v giáng thủy Hội tụ trong khí quyển tầng trên có hiệu ứng ng‡ợc lại, nó c‡ỡng bức không khí giáng xuống v ngăn cản quá trình hình thnh mây Chúng ta sẽ trở lại khái niệm quan trọng ny ở ch‡ơng 10

8-2 Những nguyên lý vật lý:

Sự di chuyển của các sóng Rossby

Cũng nh‡ những hiện t‡ợng khí

quyển khác, sự di chuyển của sóng

Rossby không phải do ngẫu nhiên đơn

thuần, m do tác động tổng hợp của

nhiều yếu tố vật lý Có 3 nhân tố quyết

định tốc độ truyền đi của một sóng

Rossby: (1) thnh phần h‡ớng tây của tốc

độ gió bên trong sóng, (2) vị trí vĩ độ của sóng v (3) b‡ớc sóng Cụ thể, các sóng Rossby no có gió mạnh v các b‡ớc sóng ngắn hơn sẽ di chuyển nhanh nhất; tốc độ

đ‡ợc tính theo công thức sau:

2

bL u

trong đó C− tốc độ truyền của sóng xuôi theo gió (m/s); u−hợp phần tốc độ gió h‡ớng tây trong phạm vi sóng (m/s); b−

một hm của vĩ độ, bằng 11 1 1

10 6

1 , ì − m−s−tại 45o

v L− b‡ớc sóng (m)

Ví dụ, ở vĩ độ 45 một sóng Rossby với tốc độ dòng gió xiết 40 m/s sẽ di chuyển ng‡ợc gió nếu nó có b‡ớc sóng lớn hơn 10000 km Tuy nhiên, đây l một buớc sóng di đặc biệt Vậy, khi tốc độ gió lớn, chuyển động lùi chỉ xảy ra với các sóng di ngoại lệ, hon ton hiếm Với tốc

độ nhỏ hơn thì b‡ớc sóng tới hạn nhỏ hơn (chỉ 5000 km với gió 10 m/s) Trên thực

tế, các sóng ngắn hơn (v tốc độ gió nhỏ hơn) th‡ờng phổ biến hơn Nh‡ vậy, sóng

di chuyển về phía tây th‡ờng chỉ xảy ra khi gió mực cao yếu chứ không mạnh

Bảng 1 Tốc độ di chuyển xuôi gió (m/s) của sóng Rossby tại vĩ độ 45 o N hoặc 45 o S

Tốc độ gió (m/s) Boớc sóng (km)

biệt Lc m các sóng hon ton không di

chuyển Những sóng no di hơn giá trị

tới hạn ny trên thực tế di chuyển từ

đông sang tây v đ‡ợc gọi l các sóng thụt

lùi Bằng cách sắp xếp lại ph‡ơng trình

v cho C= 0 (giả thiết sóng dừng), ta có

thể tính đ‡ợc b‡ớc sóng tới hạn:

b u

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‡ơngthẳng 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 trong đại d‡ơng Sau nữa, chúng ta sẽ xem xét một số quá trình t‡ơng tác lẫn nhau giữa các hệ thống đại

d‡ơng v khí quyển

Các dòng biển

Các dòng biển l những chuyển động theo ph‡ơng ngang của n‡ớc bề mặt,

th‡ờng thấy ở các vùng bên rìa của những thủy vực lớn Những dòng chảy ny, đã

đ‡ợc giới thiệu tóm tắt ở ch‡ơng 3, có một ảnh h‡ởng rất lớn đến sự trao đổi năng

l‡ợng v hơi n‡ớc giữa các đại d‡ơng v khí quyển tầng thấp Trong nhiều tr‡ờnghợp, sự ảnh h‡ởng ny rất rõ rệt, ví dụ, những hải l‡u nóng thì 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 theo độ sâu Cng xuống sâu, góc lệch về bên phải cngtăng dần (ở Bắc bán cầu), còn tốc độ giảm dần ở độ sâu khoảng 100 m, h‡ớng dòng chảy gần bằng 180o so với h‡ớng gió v dòng chảy không còn nữa Hình thế dòng chảy nh‡ vậy, gọi l hình xoắn Ekman, đ‡ợc thể hiện trên hình 8.14

Hình 8.13 Các sóng Rossby trong khí quyển tầng cao có thể l~u chuyển không khí lạnh hoặc nóng Ng†y 22/9/1995 một sóng nh~ vậy đã mang những điều kiện

ôn hòa tới vùng trung tâm Alaska, trong khi không khí di chuyển h~ớng về nam

đã gây nên những nhiệt độ thấp kỷ lục tại nhiều khu vực ở trung tâm của n~ớc Mỹ

Hình 8.14 Hình xoắn Ekman Dòng

chảy tại bề mặt lệch góc 45 o về bên

phải h ~ớng gió (ở Bắc bán cầu) v†

tiếp tục xoay theo chiều kim đồng

hồ khi tốc độ giảm theo độ sâu Tại

độ sâu 100 m, dòng chảy có h ~ớng

ng ~ợc ho†n to†n với h~ớng dòng

bề mặt v † bắt đầu triệt tiêu

Chuyển động của dòng chảy bề mặt rất t‡ơng thích với những hình thế gió

ton cầu đã đ‡ợc mô tả tr‡ớc đây trong ch‡ơng ny (xem hình 8.15) Chúng ta hãy xem những dòng hải l‡u của Bắc Đại Tây D‡ơng, sơ đồ hải l‡u ở đây rất điển hình

đối với các đại d‡ơng chính Ngay phía bắc của xích đạo, tro gió mậu dịch h‡ớng

đông kéo theo n‡ớc bề mặt chảy về phía tây thnh hải l€u Bắc xích đạo Tr‡ớc

khi đạt đến Nam Mỹ, một phần dòng n‡ớc chuyển động về phía tây ngoặt lên phía bắc, còn một phần quẹo về phía nam xuống xích đạo Một hình thế t‡ơng tự xảy ra

ở Nam bán cầu, ở đây một bộ phận của hải l €u Nam xích đạo quay h‡ớng lên

phía bắc để tới xích đạo N‡ớc của các hải l‡u Bắc v Nam xích đạo hội tụ với nhau

v trn tới khu vực xích đạo phía tây Đại Tây D‡ơng v tạo nên hải l€u Nghịch xích đạo chảy về phía đông

ở Bắc bán cầu, một phần lớn dòng Bắc xích đạo đi tới bờ Nam Mỹ, ngoặt lên phía bắc để hình thnh hải l‡u nóng Gulf Stream (hình 8.16) Gần vĩ độ 40oN, dòng gió tây c‡ỡng bức hải l‡u ny chảy sang phía đông, ở đó nó đ‡ợc gọi tên l

Dòng trôi Bắc Đại Tây D €ơng Dòng ny vẫn giữ tính chất ấm khi chảy đến phía

bắc châu Âu, khiến cho mùa đông nơi đó ôn hòa bất th‡ờng so với những vĩ độ nh‡vậy Các n‡ớc thuộc vùng Scandinavia có nền nhiệt độ cao đến ngạc nhiên trong mùa đông, dù l ở các vĩ độ khá cao Dòng trôi Bắc Đại Tây D‡ơng sau đó lạnh dần

v trở thnh dòng chảy lạnh Canary khi đổi h‡ớng về phía nam

ở các vĩ độ ôn đới t‡ơng đ‡ơng, nhiệt độ ở phần phía tây của Đại Tây D‡ơngcao hơn hẳn so với phần phía đông Do đó, ví dụ nhiệt độ trung bình ở vùng biển ngoi khơi New Jersey cao hơn 8 oC so với vùng biển ngoi khơi phía bắc Bồ ЏoNha ảnh h‡ởng của dòng biển lạnh cũng thấy ở dọc theo bờ biển California, nơi

đây thậm chí trong mùa hè nhiệt độ n‡ớc ít khi cao hơn 22oC

Cuối cùng, hải l €u lạnh Labrador chảy về phía nam dọc theo các tỉnh ven

biển của Canađa đ‡ợc tạo thnh bởi n‡ớc từ các hải l€u Đông Greendland v

Tây Greendland.