Thời tiết và khí hậu - Phần 2 Nước trong khí quyển - Chương 7 pot

Trong ch‡ơng ny, chúng ta giải thích các quá trình m nhờ đó các giọt mây v các tinh thể băng ch‡a gây m‡a lớn lên đủ để rơi xuống thnh giáng thủy... Lũ lụt cực hạn v~ợt bờ đã l†m ngậ

Ch €ơng 7 Các quá trình giáng thủy

Chúng ta th‡ờng nghĩ về m‡a lớn v các tác động môi tr‡ờng của nó nh‡những sự kiện ngắn ngủi, thoáng qua Một trận m‡a bất ngờ có thể gây lụt lội trong vi phút, nh‡ng sự nguy hiểm th‡ờng kéo di trong hng giờ hoặc đại loại nh‡ vậy Tuy nhiên, đôi khi các điều kiện môi tr‡ờng tồn tại từ tr‡ớc có thể lm cho một trận m‡a có một ảnh h‡ởng nghiêm trọng hơn nhiều so với thông th‡ờng Trận lụt lớn ở miền Trung Tây n‡ớc Mỹ năm 1993 l một ví dụ điển hình

Những điều kiện gây lụt lớn đã bắt đầu từ mùa thu năm 1992, khi ấy những trận m‡a dai dẳng đã lm bão hòa đất trên khắp miền Trung Bắc n‡ớc Mỹ Mùa thu nhiều m‡a lại đ‡ợc nối tiếp bằng một mùa đông tích tụ đầy tuyết Tổ hợp của khối tuyết dy đặc bên trên đất đã bão hòa luôn l biểu hiện của nguy cơ lụt úng

đối với mùa tuyết tan, song năm 1993 đã thực sự tỏ ra tồi tệ hơn bất kỳ ai có thể hình dung, bởi vì mùa tuyết tan lại đ‡ợc nối tiếp ngay bằng những trận m‡a lớn bất th‡ờng trong tháng 6 v tháng 7

C‡ờng độ lũ lụt lớn ch‡a từng thấy Tại Saint Louis, Missouri, sông Mississippi

đạt mực n‡ớc 6 m bên trên mức lũ Một con sông, bình th‡ờng rộng khoảng 800 m ở gần Saint Joseph, Missouri, đã lan rộng ra đến 10 km, lm cho gần nửa quận Saint Charles ngập trong n‡ớc (hình 7.1) Tại thnh phố Kansas, Missouri, sông Missouri nâng lên cao 6,7 m so với bờ Khắp miền Trung Tây, hng chục nghìn ngôi nh bị

h‡ hại hoặc phá huỷ do lũ lụt, vì ton bộ các vùng xung quanh v 77 thnh phố nhỏ chìm trong n‡ớc Lũ lụt thậm chí còn chia sẻ phần cay đắng mỉa mai của mình: Des Moines, Iowa bị thiếu n‡ớc uống trong 12 ngy vì n‡ớc lũ ô nhiễm C‡ dân Jacki Meek, 40 tuổi, ở ngoại ô Saint Louis, đại diện cho 85 000 ng‡ời phải sơ tán khỏi nhcủa mình đã nói “Tôi cảm thấy mình bây giờ gi tới 65 tuổi, tôi thấy nh của mình trên ch‡ơng trình thời sự, v tôi chỉ biết kêu khóc”

M‡a v các hiện t‡ợng giáng thủy khác l một thực tế cuộc sống đối với tất cả mọi ng‡ời, mặc dù bình th‡ờng thì hậu quả của nó còn xa mới bằng lũ lụt năm

1993 Thực tế, việc tìm kiếm đáp án cho câu hỏi cái gì lm nên giáng thủy có thể đã

l một trong những lý do để bạn lật trang quyển sách ny Trong ch‡ơng 6, chúng

ta đã biết về những quá trình dẫn đến hình thnh các loại mây cho giáng thủy vkhông cho giáng thủy Trong ch‡ơng ny, chúng ta giải thích các quá trình m nhờ

đó các giọt mây v các tinh thể băng ch‡a gây m‡a lớn lên đủ để rơi xuống thnh giáng thủy

Hình 7.1 Lũ lụt trên các sông Mississippi v † Moussouri ảnh bên trên cho thấy vị trí bờ của hai sông n †y ở tình huống bình th~ờng Lũ lụt cực hạn v~ợt bờ đã l†m ngập những vùng rộng lớn của một số bang ở phần Trung Tây trong mùa hè năm 1993 (ảnh d ~ới)

Sự lớn lên của các giọt mây

Khi hoạt động riêng lẻ, trọng lực sẽ lm tăng tốc độ các vật rơi xuống phía bề mặt Nh‡ng trọng lực không phải l lực duy nhất tác động lên một vật đang rơi; trong cùng thời gian, không khí tác động một lực cản, hay kháng lực Khi tốc độ tăng lên, lực cản cũng tăng, cho đến khi lực cản cân bằng với trọng lực v gia tốc bị triệt tiêu Vật vẫn rơi, nh‡ng với một tốc độ không đổi, vận tốc dừng Nếu không có

gì đặc biệt, tốc độ dừng phụ thuộc vo kích th‡ớc, các vật nhỏ rơi chậm hơn nhiều

so với vật lớn (Chúng ta sẽ xem xét tỉ mỉ mối liên quan giữa kích th‡ớc v tốc độ dừng trong chuyên mục 7.1: Những nguyên lý Vật lý: Vì sao các hạt mây không rơi).

Nh‡ chúng ta đã nhắc đến, các giọt mây rơi chậm do chúng rất nhỏ Các giọt mây

có kích nhỏ l vì trong thực tế có rất nhiều các nhân ng‡ng kết; do đó, n‡ớc trong mây phân bố cho rất nhiều hạt nhỏ chứ không tập trung vo một số ít những hạt lớn hơn Với kích th‡ớc nhỏ, các giọt mây lúc đầu có tốc độ dừng cực chậm, chúng không thể đạt tới bề mặt

Hiệu ứng ny thể hiện rõ trên hình 7.2, hình ny biểu diễn các tốc độ dừng của các hợp phần mây khác nhau Những hạt mây nhỏ nhất l các nhân ng‡ng kết, trên đó các giọt n‡ớc lỏng hình thnh (để đơn giản, hình ny chỉ áp dụng đối với mây gồm n‡ớc lỏng, không có các tinh thể băng) Các nhân ng‡ng kết nhỏ đến nỗi chúng rơi xuống với một tốc độ chậm không nhận ra đ‡ợc Những giọt mây lớn hơn (nh‡ng không rơi xuống thnh m‡a) điển hình có bán kính từ 10 đến 50 mμ (hãy nhớ lại, 1 mμ bằng một phần triệu mét) Các hạt mây ny có tốc độ rơi từ khoảng 1

đến 25 cm/s Một cách t‡ơng phản, những hạt m‡a lớn hơn nhiều, đ‡ợc thể hiện trên hình, rơi với tốc độ 650 cm/s, nhanh gấp 25 lần

Hình 7.2 Các đặc tr ~ng trung bình của các hợp phần mây

Những giọt m‡a rơi xuống bề mặt khi chúng trở thnh đủ lớn sao cho trọng lực

v‡ợt qua đ‡ợc hiệu ứng của các dòng thăng Thế no gọi l đủ lớn? Nếu xét theo bán kính, những giọt m‡a lớn hơn các giọt mây điển hình khoảng 100 lần Với kích

th‡ớc đó, phần lớn các phân tử n‡ớc nằm ở phần bên trong của giọt mây, chỉ một số

t‡ơng đối ít các phân tử ở mép ngoi tiếp xúc với khí quyển Vì chỉ có một tỉ phần nhỏ hơn bị lực cản, vận tốc dừng sẽ đủ lớn để giọt mây rơi thnh m‡a

Chúng ta cần l‡u ý rằng, nếu xét theo thể tích hay khối l‡ợng n‡ớc, các giọt

m‡a lớn hơn so với các giọt mây một triệu lần chứ không phải chỉ một trăm lần Đó l vì thể tích hình cầu tỷ lệ với lập ph‡ơng của bán kính Nếu bán kính lớn hơn 100 lần, thì thể tích lớn hơn l 100::24ỗ24::100 (1 triệu) lần Các giọt m‡a không hon

ton l hình cầu, nh‡ng nguyên tắc ny vẫn đúng: các phần tử giáng thủy th‡ờnglớn hơn nhiều lần so với những giọt mây ít ra l d‡ới giác độ một giọt mây, mặc dù

chúng ta không cho rằng mây l những vật rơi lớn, nh‡ng thực sự l nh‡ vậy Trong các mục tiếp theo của ch‡ơng ny, chúng ta sẽ tổng quan những quá trình tạo thnh những vật rơi “khổng lồ” đó

7-1 Những nguyên lý vật lý:

Tại sao các hạt mây không rơi?

Bạn có lẽ đã quen thuộc với truyền

thuyết - thí nghiệm của Galileo Galilei

cuối thế kỷ 16, cho hai vật rơi, một nhẹ

v một nặng, từ trên tháp nghiêng Pisa

Cả hai vật chịu cùng một gia tốc trọng

tr‡ờng, chạm tới mặt đất gần nh‡ cùng

một thời gian Biểu diễn của Galileo có vẻ

không phù hợp trải nghiệm hng ngy

của chúng ta, vì một con kiến rơi từ nóc

tòa nh cao tầng xuống đất chắc phải lâu

hơn một quả cầu Nó cũng không giống

với nhận định của chúng ta rằng những

giọt mây nhỏ thì rơi chậm Lời giải phải

l: có lực khác tác động lên các vật đang

rơi ngoi trọng lực, thật vậy, có lực cản

của gió, hay trở kháng Bằng cách xem

xét hai lực ny cùng tác động nh‡ thế

no, ta sẽ hiểu thêm vì sao các hạt mây

không rơi Để dễ bn luận, ta giả thiết

các hạt có hình cầu – khi dùng các hình

dạng thực tế hơn thì cũng sẽ không lm

thay đổi những kết luận của chúng ta

Định luật thứ hai của Newton nói

rằng: nếu một lực ròng tác động lên một

khối l‡ợng, khối l‡ợng đó sẽ có một gia

tốc (hay thay đổi vận tốc theo thời gian)

Đối với một khối l‡ợng đang xét, gia tốc

tỷ lệ thuận với lực D‡ới dạng ph‡ơng

trình, định luật ny viết thnh:

tốc gia ợng l khối ròng

Hãy l ‡u ý, định luật thứ hai của

Newton nói rằng ta xét lực ròng tức l kết

quả của tất cả các lực tác động lên vật

Khi xét giọt n‡ớc đang rơi, nó có trọng lực

h‡ớng xuống d‡ới, bị chống lại bởi lực cản của gió (trở kháng) Một giọt n‡ớc vừa mới sinh ra trong khí quyển rơi với tốc độ tăng dần, nh‡ng không tăng vô tận Dần dần lực cản (F d) cân bằng với trọng lực

) (F g , kết quả l không còn lực ròng:

Trọng lực

Trọng lực tỷ lệ thuận với khối l‡ợng.Khi ta b‡ớc lên chiếc cân, chính l ta đo lực ny Đối với một giọt mây không chứa gì khác ngoi các phân tử n‡ớc, khối l‡ợng chính l mật độ nhân với thể tích Vậy ta có F g bằng

Lực cản

Trở kháng giữa giọt v không khí xung quanh phụ thuộc vo tốc độ rơi vkích th‡ớc của giọt Giống nh‡ một ô tô

đang chạy trên đ‡ờng cao tốc, một giọt n‡ớc chịu lực cản mạnh hơn khi nó chuyển động trong không khí Thực tế, một cách gần đúng, lực cản tăng theo bình ph‡ơng của tốc độ gió (v2) Vậy kích th‡ớc ảnh h‡ởng tới lực cản nh‡ thế no?

Đối với một hình cầu, ảnh h‡ởng của kích th‡ớc giọt n‡ớc chủ yếu l do diện tích của bề mặt Khi diện tích bề mặt tăng, lực cản tăng theo một cách tỉ lệ thuận Nếu nhớ lại l, diện tích bề mặt hình cầu

trong đó k l một hằng số Giá trị của k

không quan trọng ở đây; vấn đề l F d tỉ

t

F F

r kv

r3 24 23

r r k

r k r

ρ ρ

π π

ρ

3 1

4 3 4

4 3

4

2 3

2 3

Trở lại với tr‡ờng hợp tháp nghiêng Pisa đã mô tả ở trên, bây giờ ta có thể hiểu vì sao các vật của Galileo đã rơi gần nh‡ với cùng một tốc độ Đối với những vật lớn nh‡ thế, trọng lực lớn hơn lực cản rất nhiều trong suốt quãng đ‡ờng rơi ngắn ngủi Nếu bỏ qua lực cản, trọng lực lm tăng tốc độ của cả hai vật gần nh‡với cùng một mức độ Nếu nh‡ Galilei dùng các vật với kích th‡ớc rất khác nhau, hoặc nếu nh‡ các vật rơi đủ xa để

đạt tới vận tốc dừng, thì chênh lệch về tốc

độ có thể xuất hiện Chuyện về sức cản của gió cũng hon ton nh‡ vậy, vnhững cuốn sách giống nh‡ sách ny sẽ không cần bn về chủ đề ny nữa

Lớn lên do ng~ng kết

Khi các giọt mây bắt đầu hình thnh do sự lạnh đi đoạn nhiệt của không khí thăng, chính l chúng hình thnh ở trên các nhân ng‡ng kết Nh‡ng trong phạm vi một vi chục mét bên trên mực ng‡ng kết thăng, tất cả những nhân ng‡ng kết hiện

có đã hút lấy n‡ớc, còn sự ng‡ng kết tiếp theo no đó chỉ có thể diễn ra trên các giọt

đang tồn tại ấy

Sự ng‡ng kết có thể lm cho các giọt n‡ớc rất nhỏ lớn lên nhanh, nh‡ng chỉ

đến khi chúng đạt tới những bán kính đến khoảng 20 μm, bán kính đó vẫn còn lrất nhỏ so với kích th‡ớc cần thiết để rơi xuống thnh m‡a Sau thời điểm ny, sự tăng tr‡ởng tiếp theo do ng‡ng kết l nhỏ nhất Để hiểu tại sao, hãy nhớ lại rằng hơi n‡ớc trong không khí chỉ còn t‡ơng đối ít để ng‡ng kết Với nhiều giọt nh‡ thế tranh nhau một l‡ợng n‡ớc hạn chế thì không giọt no có thể lớn lên rất nhanh

đ‡ợc Rõ rng l nếu nh‡ tăng tr‡ởng do ng‡ng kết l quá trình tác động duy nhất, thì chúng ta sẽ thấy rất ít m‡a, nếu nh‡ có, trên Trái Đất ny Vì vậy, chúng ta cần biết rằng quá trình ng‡ng kết chỉ l điểm xuất phát của m‡a v tuyết, không phải

l ton bộ nguyên nhân Có hai quá trình khác có trách nhiệm lm cho giọt mây lớn lên tiếp, tầm quan trọng t‡ơng đối của hai quá trình đó tùy thuộc vo các đặc tr‡ngnhiệt độ của mây

Lớn lên trong mây ấm

Phần lớn mây cho m‡a ở các vùng nhiệt đới v nhiều mây ở các vĩ độ trung bình l những đám mây ấm, luôn có nhiệt độ lớn hơn 0oC Trong mây ấm, quá trình va chạm - liên kết gây nên giáng thủy, quá trình ny phụ thuộc vo tốc độ

rơi khác nhau của các giọt với kích th‡ớc khác nhau

Các giọt mây có các kích th‡ớc khác

nhau, v do đó, có các vận tốc dừng khác

nhau Hãy nhìn hình 7.3 xem điều gì sẽ xảy

ra khi giọt lớn nhất (gọi l giọt thu l oợm) rơi

trong một đám mây ấm Khi giọt thu l‡ợm

rơi xuống, nó v‡ợt qua một số giọt nhỏ hơn

trên đ‡ờng đi của mình, bởi vì vận tốc dừng

của nó lớn hơn Điều đó mang lại cơ hội cho

sự va chạm v liên kết

Sự va chạm Khi rơi, một giọt thu l‡ợm

va chạm chỉ với một số giọt trên đ‡ờng của

nó Xác suất va chạm phụ thuộc vo cả kích

th‡ớc tuyệt đối lẫn kích th‡ớc t‡ơng đối của

giọt thu l‡ợm so với những giọt n‡ớc phía

d‡ới Nếu giọt thu l‡ợm lớn hơn nhiều so với

các giọt n‡ớc ở phía d‡ới, tỉ lệ những lần va

chạm (hiệu suất va chạm) sẽ thấp Hình 7.4

cho thấy vì sao Khi giọt thu l‡ợm rơi, nó

nén không khí trên đ‡ờng đi của mình

Không khí bị nén sẽ tạo ra một xung gió giật

Hình 7.3 Vì hạt thu l ~ợm có khối

l ~ợng lớn hơn, nó có tốc độ dừng lớn hơn (biểu diễn bằng độ d †i của mũi tên h ~ớng xuống d~ới) so với các giọt nhỏ trên đ ~ờng rơi của mình Hạt thu l ~ợm sẽ v~ợt qua v†

va chạm với các hạt nhỏ hơn

yếu đẩy các giọt nhỏ dạt ra khỏi đ‡ờng đi Tuy nhiên, gió giật yếu không thể đẩy các giọt lớn hơn ra ngoi v giọt thu l‡ợm có thể va chạm với chúng Kết quả l,hiệu suất va chạm sẽ lớn hơn đối với những giọt có kích th‡ớc không nhỏ hơn quá nhiều so với giọt thu l‡ợm

Bạn có thể đã chứng kiến một hiện t‡ợng t‡ơng tự ở một quy mô lớn hơn khi lái xe trên đ‡ờng nông thôn vo mùa hè, kính chắn gió phía tr‡ớc dồn những con côn trùng lớn đang bay bị kẹt lại thnh một đống nhỏ ở mép kính Rất khó khăn để dạt ra bên cạnh bằng không khí bị nén ở ngay phía tr‡ớc kính chắn gió, chúng bay tiếp theo đ‡ờng của chúng cho đến khi thời điểm hiểm nghèo xuất hiện Trái lại, những con bọ nhỏ hơn thì bị thổi tung ra khỏi con đ‡ờng tai họa

Hiệu suất va chạm cũng thấp đối với các giọt gần nh‡ bằng nhau về kích th‡ớc

so với giọt thu l‡ợm, vì vận tốc dừng của chúng gần bằng với vận tốc của giọt thu l‡ợm, khi đó giọt thu l‡ợm khó có thể đuổi kịp v va chạm với chúng Lại t‡ơng tự với tình huống ô tô, những vụ đụng độ giữa các xe ít khả năng xảy ra chừng no tất cả các xe chạy với cùng tốc độ v cùng h‡ớng

Trong những tình huống nhất định, hiệu

suất va chạm có thể thực sự v‡ợt quá 100%, v

giọt thu l‡ợm có thể va chạm với nhiều giọt

hơn số l‡ợng giọt trên đ‡ờng đi của nó Một

giọt đang rơi tạo nên những cuộn xoáy rối có

thể thu hút những giọt nhỏ ở bên ngoi đ‡ờng

đi v mang chúng trở lại phía đỉnh của giọt

thu l‡ợm, ở đó sẽ xảy ra va chạm

Nghiên cứu gần đây sử dụng các mô hình

toán cho biết rằng chuyển động rối d‡ới dạng

những cuộn xoáy lm tăng hiệu suất va chạm

lên rất nhiều Các xoáy rối có tác dụng nh‡

những máy ly tâm nhỏ chia tách các giọt theo

kích th‡ớc khi chúng quay xung quanh tâm

Biến thiên kết quả về nồng độ sẽ lm tăng

đáng kể suất va chạm trung bình Ngoi ra, sự

quay nhanh lm cho các dòng giọt n‡ớc tách

khỏi không khí giống nh‡ một con thoi văng

ra khỏi dây nối Những giọt bị tách ra có xác

suất va chạm cao với các giọt khác, cho nên

quá trình ny cũng lm tăng hiệu suất va

chạm Tính toán cho thấy rằng, để cho ly tâm

v hiệu ứng dây nối có thể xuất hiện thì chỉ

cần chuyển động cuộn xoáy cỡ nhẹ, có nghĩa l

các quá trình ny tác động trong phần lớn các

đám mây

Sự liên kết Khi một giọt thu l‡ợm v các

giọt nhỏ hơn va chạm, chúng có thể hoặc kết

hợp lại để hình thnh một giọt duy nhất lớn

hơn hoặc văng ra thnh nhiều mảnh Đa số

các giọt n‡ớc va chạm th‡ờng dính vo nhau

Quá trình ny đ‡ợc gọi l liên kết, v tỷ lệ

phần trăm các giọt n‡ớc va chạm liên kết lại

với nhau đ‡ợc gọi l hiệu suất liên kết Vì đa

số các va chạm dẫn tới kết cục liên kết, nên

hiệu suất liên kết th‡ờng đ‡ợc chấp nhận

bằng gần 100 % Nói cách khác, chúng ta hon

Hình 7.4 Khi một giọt thu l ~ợm rơi (a), nó nén không khí ở phía d ~ới nó (b) Điều n †y tạo ra một građien áp suất v † đẩy những giọt rất nhỏ ra khỏi đ ~ờng (c) Các giọt nhỏ bị dạt sang bên v † tránh khỏi bị tác động

ton có thể bỏ qua hiệu suất liên kết của hai giọt có kích th‡ớc t‡ơng tự, bởi vì chúng ít khả năng va chạm ở vị trí thứ nhất

Sự va chạm v sự liên kết cùng với nhau hình thnh cơ chế quan trọng cho m‡a ở các vùng nhiệt đới, nơi những đám mây ấm chiếm ‡u thế Tại các vĩ độ trung bình, đa số các đám mây cho giáng thủy có các nhiệt độ đóng băng, ít ra l tại các phần phía trên của chúng Điều đó tạo thuận lợi cho sự tăng tr‡ởng giáng thủy bằng một cơ chế khác liên quan tới sự cùng tồn tại của các tinh thể băng v các giọt

n‡ớc siêu lạnh, quá trình Bergeron (còn đ‡ợc biết đến nh‡ quá trình

Bergeron-Findeisen hoặc quá trình tinh thể băng) đ‡ợc mô tả trong mục tiếp theo

Lớn lên trong các đám mây mát v† lạnh

Khác với các bản sao của chúng tại vùng nhiệt đới, ít nhất một phần của đa số các đám mây vùng vĩ độ trung bình có nhiệt độ thấp hơn điểm tan băng Nh‡ trên hình 7.5a, một số đám mây có nhiệt độ thấp hơn 0oC v cấu tạo hon ton từ các tinh thể băng, các giọt n‡ớc siêu lạnh hoặc hỗn hợp của cả hai Các đám mây đó gọi

l những đám mây lạnh.

Trái lại, mây mát (hình 7.5b) có các nhiệt độ lớn hơn 0oC tại các biên phía d‡ới

v những điều kiện cận đóng băng ở phía trên Nh‡ chúng ta đã bn luận ở ch‡ơng

5, sự bão hòa tại nhiệt độ giữa -4oC v -40oC có thể dẫn đến sự hình thnh các tinh thể băng nếu có những nhân băng hiện diện hoặc hình thnh các giọt lỏng siêu lạnh nếu không có những nhân băng hiện diện Nh‡ vậy, một đám mây tích khá phát triển có thể cấu tạo hon ton từ những giọt n‡ớc ở phần thấp của nó, một tổ hợp những giọt n‡ớc siêu lạnh v những tinh thể băng ở phần giữa v những tinh thể băng hon chỉnh ở phần đỉnh trên cùng (hình 7.6) Các quá trình đ‡ợc mô tả trong mục ny hoạt động bên trong những đám mây lạnh v mát có hỗn hợp băng

đới Một quá trình, trong đó những giọt n‡ớc v tinh thể trong các đám mây vùng vĩ

độ trung bình lớn lên tới kích th‡ớc cho giáng thủy đã đ‡ợc mô tả bởi một trong những nh khoa học lỗi lạc của khí t‡ợng học hiện đại, Tor Bergeron Quá trình

ny do đó th‡ờng đ‡ợc nhắc đến với tên gọi quá trình Bergeron

Nguyên lý cơ sở của quá trình Bergeron l áp

suất hơi bão hòa xung quanh băng (l‡ợng hơi n‡ớc

cần thiết để giữ băng ở trạng thái cân bằng) nhỏ

hơn áp suất hơi n‡ớc bão hòa xung quanh n‡ớc

siêu lạnh tại cùng một nhiệt độ * Nói cách khác,

nếu có vừa đủ hơi n‡ớc trong không khí để giữ cho

một giọt siêu lạnh không bốc thnh hơi, thì l‡ợng

hơi n‡ớc đó thừa đủ để duy trì một tinh thể băng

Chúng ta sẽ xem xét điều ny dẫn đến giáng thủy

nh‡ thế no

_

Hình 7.6 Đám mây tích Phần bên d~ới cấu tạo ho†n

to†n từ các giọt lỏng, phần giữa - hỗn hợp băng v†

n~ớc lỏng v† phần trên - ho†n to†n l† băng Phần

đỉnh mây cấu tạo từ băng có ranh giới mờ nhạt hơn

Hãy quan sát hình 7.7 v xét tình huống trong đó các tinh thể băng v các giọt n‡ớc siêu lạnh cùng tồn tại, còn áp suất hơi n‡ớc thì bằng với áp suât cần thiết để giữ các giọt n‡ớc ở trạng thái cân bằng Trên hình 7.7a tốc độ ng‡ng kết vo giọt n‡ớc lỏng bằng tốc độ bốc hơi Nh‡ng khi áp suất hơi n‡ớc trong mây bằng áp suất hơi n‡ớc bão hòa đối với giọt n‡ớc, thì áp suất đó lớn hơn áp suất hơi bão hòa đối với băng Điều ny lm cho một phần hơi n‡ớc trong không khí bị ng‡ng kết trực tiếp

vo băng Trữ l‡ợng hơi n‡ớc trong không khí sau đó bị giảm xuống v sẽ lm cho các giọt n‡ớc lỏng bị bốc hơi vì nó nh‡ờng n‡ớc để phục hồi trạng thái cân bằng (b) Nh‡ng quá trình ny ch‡a kết thúc ở đây, bởi vì sự bốc hơi từ giọt n‡ớc lmtăng trữ l‡ợng hơi n‡ớc của không khí, l‡ợng hơi n‡ớc đó lại tiếp tục ng‡ng kết vocác tinh thể băng (c) Kết cục dẫn tới một quá trình chuyển hóa liên tục: các giọt lỏng nh‡ờng hơi n‡ớc, để rồi hơi n‡ớc đó ng‡ng kết vo các tinh thể băng Nói khác

đi, các tinh thể băng liên tục lớn lên nhờ những giọt n‡ớc siêu lạnh tích tụ thêm

vo Mặc dù hình 7.7 diễn tả quá trình ny thnh các b‡ớc riêng biệt, nh‡ng bốchơi v kết tụ trong thực tế xảy ra đồng thời

Sự lớn lên của các tinh thể băng nhờ quá trình kết tụ hơi n‡ớc th‡ờng không

đủ để tạo ra m‡a lớn, chỉ l m‡a nhẹ Khi các tinh thể băng lớn lên, khối l‡ợng của tinh thể tăng, chúng sẽ rơi trong mây v va chạm với những giọt n‡ớc v những tinh thể băng khác Những vụ va chạm nh‡ thế gây nên hai quá trình quan trọng nữa có thể lm tăng rất nhanh tốc độ lớn lên của các tinh thể băng, đó l sự bồi kết

* Đó l vì các phân tử trong một tinh thể băng liên kết với nhau chặt chẽ hơn so với các phân tử của n‡ớc lỏng Rất thú vị l điều ny không phải Bergeron phát hiện ra, nó đ‡ợcphát hiện nhiều năm tr‡ớc bởi Alfred Wegener, nh khoa học nổi tiếng hơn do những đóng góp của ông cho học thuyết kiến tạo mảng (đôi khi gọi l thuyết trôi lục địa) Đóng góp của Bergeron l đã áp dụng nguyên lý ny vo sự tăng tr‡ởng của các hợp phần mây v quá trình hình thnh giáng thủy

(phủ s‡ơng muối) v kết cụm

Hình 7.7 Quá trình Bergeron Nếu l ~ợng hơi n~ớc trong không khí vừa đủ để giữ một giọt n~ớc siêu lạnh cân bằng, thì l ~ợng đó thừa đủ để giữ một tinh thể băng cân bằng Điều kiện n†y dẫn đến kết tụ (tức chuyển pha từ hơi n ~ớc sang băng) nhanh hơn thăng hoa (tức chuyển pha từ băng sang hơi n ~ớc) v† tinh thể lớn lên (a) Hơi n~ớc bị ít đi trong không khí l†m cho giọt n~ớc phải bốc hơi (b) Bốc hơi từ giọt n ~ớc l†m cho không khí có thêm n~ớc v† kích thích sự tăng tr~ởng tinh thể băng (c) Tuy ở đây biểu diễn một chuỗi các b ~ớc riêng biệt, nh~ng các quá trình diễn ra đồng thời Bồi kết v ˆ kết cụm Chúng ta đã thấy rằng sự hình thnh các tinh thể băng

trong khí quyển th‡ờng đòi hỏi phải có mặt những nhân băng, hay những hạt khởi

động sự đóng băng Trong thực tế, bản thân băng chính l một nhân băng rất hiệu dụng Nh‡ vậy, khi các tinh thể băng rơi trong mây v va chạm với các giọt siêu lạnh, n‡ớc lỏng sẽ ng‡ng kết thnh băng bám vo các tinh thể băng Quá trình nygọi l phủ s oơng muối (hoặc l bồi kết), nó lm cho các tinh thể băng lớn lên nhanh,

tiếp tục tăng tốc độ rơi v kích thích bồi kết hơn nữa

Một quá trình quan trọng khác trong phát triển giáng thủy l sự kết cụm, liên kết hai tinh thể băng để tạo thnh một tinh thể đơn lớn hơn Sự kết cụm xuất hiện

dễ nhất khi các tinh thể băng có một lớp áo mỏng bằng n‡ớc lỏng để lm cho chúng

dễ “dính” hơn N‡ớc nh‡ thế hay có nhất khi nhiệt độ mây không thấp hơn 0oC quá nhiều, vậy sự kết cụm l quan trọng hơn ở phần ấm hơn của đám mây lạnh (Có lẽ

bạn đã từng để ý thấy rằng những bông tuyết rất lớn th‡ờng hay thấy hơn trong thời gian tuyết đầu mùa còn ấm, trái lại với tuyết giữa đông

Tổ hợp bồi kết v kết cụm cho phép các tinh thể băng lớn lên nhanh hơn nhiều

so với sự kết tụ hơi n‡ớc vo băng Trong thực tế, tốc độ lớn lên nhờ ba quá trình

ny cùng kết hợp lại tạo ra những tinh thể băng có kích th‡ớc giáng thủy trong khoảng một nửa giờ kể từ khi khởi đầu hình thnh băng Khi các tinh thể băng bắt

đầu rơi, thì giáng thủy bắt đầu Điều gì xảy ra với các tinh thể ny khi chúng rơi sẽ quyết định kiểu giáng thủy

Các kiểu giáng thủy

ở vùng nhiệt đới, giáng thủy xuất hiện chủ yếu nhờ quá trình va chạm – liên kết, v vì thế chỉ có thể l m‡a.ở các vĩ độ trung bình, nơi các tinh thể băng chiếm

‡u thế, giáng thủy l rắn hay l lỏng tùy thuộc vo trắc diện nhiệt độ không khí Nếu giáng thủy đạt tới bề mặt m ch‡a có sự tan băng, thì chúng ta thấy tuyết Nếu nó tan trên đ‡ờng rơi xuống, nó có thể tới bề mặt d‡ới dạng m‡a Nh‡ngnhững giọt m‡a đôi khi lại bị ng‡ng kết lần nữa tr‡ớc khi hoặc ngay sau khi đạt tới

bề mặt, thì khi đó chúng ta có một kiểu giáng thủy khác Bây giờ chúng ta xem xét các kiểu giáng thủy

Nếu ton bộ quá trình tăng tr‡ởng tinh thể diễn ra trong các điều kiện t‡ơng

tự, thì cấu trúc tuyết có thể rất đơn giản Mặt khác, nếu điều kiện nhiệt độ v độ

ẩm thay đổi trong khi tăng tr‡ởng, một hỗn hợp phức tạp gồm đĩa, kim v cây nhiều nhánh có thể phát triển Ví dụ, ta xem xét một tinh thể xuất sinh ở đỉnh trên, lạnh của mây v từ từ rơi qua một môi tr‡ờng ấm hơn Vì mỗi tổ hợp của độ

ẩm v nhiệt độ có xu thế khuyến khích hình thnh một kiểu cấu trúc khác nhau, nên tinh thể có thể có một hình dạng cụ thể tại nhân của nó kết hợp với các hình dạng khác chồng lên trên

Các bông tuyết gồm rất nhiều hình dạng v kích tth‡ớc Chúng có thể nhỏ bé khoảng 50 μm hoặc lớn đến 5 mm Nếu quá trình tăng tr‡ởng chủ yếu l bồi tụ (tr‡ờng hợp trong những đám mây t‡ơng đối ấm), các tinh thể có xu h‡ớng hình

thnh mảng tuyết dy mềm lý t‡ởng cho trò chơi ném tuyết nh‡ng bất lợi với xe cotuyết Trái lại, tuyết rất lạnh th‡ờng hình thnh những bông tuyết bé nhỏ tích tụ trên mặt đất với mật độ thấp hơn Do nhiệt độ của chúng thấp, những tinh thể ny

có độ dính kém v khó kết mảng Ng‡ời tr‡ợt tuyết gọi kiểu tuyết ny l bột

Hình 7.9a l bản đồ phân bố l‡ợng tuyết trung bình năm ở Canađa v Mỹ Trên bộ phận phía tây của Bắc Mỹ, phân bố l‡ợng tuyết đ‡ợc quyết định chủ yếu

bởi sự hiện diện của những dãy núi h‡ớng bắc nam (Coast Range, Sierra Nevada, Cascades v Rocky), những dãy núi ny tạo nên dòng thăng địa hình v tăng c‡ờnggiáng thủy khi các hệ thống bão đi qua Tại những độ cao lớn, những dãy núi ny có các nhiệt độ mùa đông đủ thấp để phần lớn giáng thủy xuất hiện d‡ới dạng tuyết Trên hai phần ba diện tích phần lục địa phía đông, l‡ợng tuyết trung bình tăng theo vĩ độ, chủ yếu l do các vĩ độ cao có nhiệt độ thấp hơn thuận lợi cho sự hình thnh tuyết hơn l m‡a

Phân bố l‡ợng tuyết năm (hình 7.9a) khá t‡ơng phản với phân bố l‡ợng giáng thủy – l‡ợng m‡a cộng với l‡ợng n‡ớc t‡ơng đ‡ơng của tuyết Giáng thủy trên 2/3 diện tích phần phía đông của Bắc Mỹ giảm theo vĩ độ chứ không tăng, phần nhiều

l do khoảng cách tới vịnh Mexico xa hơn nên hơi n‡ớc trong không khí ít hơn Hơn nữa, những nhiệt độ thấp điển hình gặp thấy tại các vĩ độ cao hơn lm giảm l‡ợnghơi n‡ớc có thể tồn tại trong không khí Hãy l‡u ý đến sự giảm giáng thủy về phía tây trên miền bình nguyên Great Plains, đó l do các dãy núi Rocky gây nên một vùng khuất m‡a ở phía khuất gió của chúng

Một đặc điểm phân bố tuyết không thể hiện trên hình 7.9 l vùng l‡ợng tuyết tăng xuất hiện ở h‡ớng xuôi gió của vùng hồ lớn Great Lakes (v các thủy vực lớn khác) Vì không khí lạnh từ h‡ớng bắc hoặc h‡ớng tây bắc thổi bên trên các hồ, nó giữ ấm thậm chí đến đầu mùa đông, nhiệt l‡ợng v hơi n‡ớc đ‡ợc vận chuyển lên trên cao v lm cho không khí ẩm v bất ổn định Khi không khí v‡ợt qua bờ, các hiệu ứng địa hình, thảm thực vật v những thnh tạo khác của bề mặt đất lm tốc

H×nh 7.9 (a) L ~îng tuyÕt trung b×nh n¨m, (b) gi¸ng thuû trung b×nh n¨m ë Cana®a v† Mü

độ gió chậm lại Giảm tốc độ gió gây ra hội tụ, một cơ chế lm cho không khí thăng

v bị lạnh đi đoạn nhiệt nh‡ đã mô tả ở ch‡ơng 6 Nh‡ vậy, không khí lạnh đi qua các hồ n‡ớc cung cấp ba cơ chế thuận lợi cho giáng thuỷ: cơ chế thăng ban đầu, không khí bất ổn định v độ ẩm đầy đủ

Hiện t‡ợng ny gọi l hiệu ứng hồ n‡ớc (hình 7.10), th‡ờng tạo thnh m‡atuyết hạn chế trên một dải đất di vo khoảng từ 1 đến 80 km v mở rộng hơn 100

km vo phía trong đất liền (Nó cũng có thể lm tăng l‡ợng tuyết khi các hệ thống bão đi qua bên trên hồ) Tuyết hiệu ứng hồ th‡ờng phổ biến dọc theo phần phía bắc của bán đảo Upper Peninsula, Michigan, một phần của bán đảo Lower Peninsula dọc theo hồ Michigan v các bờ phía nam của hồ Erie v Ontario Nó th‡ờng hay xảy ra nhất vo cuối thu v đầu đông, khi các hồ n‡ớc vẫn còn ấm

Hình 7.10 Tuyết nặng do hiệu ứng hồ n ~ớc ở Buffalo, New York

Mùa đông năm 1976-1977 l một trong các mùa đông đáng nhớ nhất về l‡ợngtuyết do hiệu ứng hồ tại vùng hồ lớn Great Lakes, trong 51 ngy tuyết rơi do hiệu ứng hồ l‡ợng tuyết đã tích lũy kỷ lục trên ton bang New York 103 cm tuyết rơi trong thời gian 4 ngy từ cuối tháng 11 đến đầu tháng 12 tại Buffalo đã l một

điềm báo tr‡ớc về điều sắp xảy ra Đến cuối tháng 1, Buffalo đã nhận đ‡ợc 3,6 m tuyết trong thời kỳ ba tháng bắt đầu từ ngy 1/11 ở phần phía bắc New York, nằm

ở h‡ớng xuôi gió của hồ Ontario, thậm chí trữ l‡ợng tuyết còn lớn hơn, 9,5 m tuyết

đã rơi trong một mùa đông ấy

Tuyết hiệu ứng hồ n‡ớc cũng có thể xảy ra trên phần phía bắc của hồ Ontario

Ví dụ, tháng 1 năm 1999, Toronto đã xảy ra một chuỗi các trận bão mang theo hầu nh‡ 120 cm tuyết - kỷ lục tháng nhiều năm của thnh phố ny L‡ợng tuyết ny đã rơi tập trung vo hai tuần đầu của tháng 1, con số ny t‡ơng đ‡ơng với l‡ợng tuyết năm trung bình tại đây

Có một sự hiểu sai về tuyết cần phải tránh Mặc dù một số ng‡ời cho rằng phải rất lạnh thì mới có tuyết rơi, không phải nh‡ vậy Rất lạnh thì có thể tuyết rơi

nhiều, nh‡ng không bao giờ rất lạnh thì mới có tuyết nói chung Bởi vì khối l‡ợng

đ‡ợc bảo ton, những tinh thể băng bất kỳ no hình thnh thì phải hình thnh gắn liền với sự tiêu phí một dung l‡ợng hơi n‡ớc của không khí Tuy nhiên, chỉ có một

l‡ợng nhỏ hơi n‡ớc có thể tồn tại trong không khí ở những nhiệt độ rất thấp V khi không đ‡ợc cung cấp đủ hơi n‡ớc, sự lạnh đi của không khí chỉ có thể lm kết tụ một l‡ợng băng rất hạn chế Mặc dù vậy, vẫn có thể có một ít tuyết xuất hiện, bất chấp nhiệt độ thấp nh‡ thế no

M~a

Nh‡ chúng ta đã thấy, phần lớn giáng thuỷ ở vùng nhiệt đới xuất hiện l do những đám mây ấm, nhiệt độ của chúng cao hơn điểm tan băng một chút Hơn nữa, nhiệt độ không khí ở phía d‡ới mây lớn hơn nhiệt độ đóng băng nhiều, vì vậy m‡akhông bị đóng băng sau khi rời khỏi chân đám mây Nh‡ vậy, thực tế tất cả giáng thủy ở vùng nhiệt đới l m oa, ngoại trừ trên các núi cao nh‡ Kilimanjaro ở

Tanzania Tại các vĩ độ trung bình, giáng thủy th‡ờng bắt đầu bằng quá trình Berbegon, nên phần lớn m‡a rơi l do tan tuyết rơi

M €a rˆo Đối l‡u có thể dẫn đến phát triển các mây tích v giáng thủy trong

vòng vi phút Giáng thủy theo cơn từ những đám mây phát triển nhanh đó gọi lgiáng thủy m‡a ro Giáng thuỷ m‡a ro có thể xảy ra hoặc thnh m‡a hoặc thnh tuyết, nh‡ng vì đối l‡u th‡ờng mạnh nhất trong mùa ấm, giáng thủy ro th‡ờnghay xuất hiện thnh m‡a ro

Trong một trận m‡a ổ định, các giọt m‡a có rất nhiều kích th‡ớc Trong một trận m‡a ro, những hạt m‡a đầu tiên có xu thế l những hạt lớn v rơi xa cách nhau, nh‡ng sau một thời gian ngắn những giọt n‡ớc lớn nh‡ờng chỗ cho nhiều giọt n‡ớc nhỏ hơn Điều xảy ra rất đơn giản: những giọt n‡ớc lớn v nhỏ cùng bắt

đầu rơi từ chân đám mây, nh‡ng các giọt lớn hơn có vận tốc dừng lớn hơn v đạt tới

bề mặt, trong khi các giọt nhỏ hơn vẫn còn đang rơi trong không khí

Có một nhân tố khác thuận lợi cho các giọt n‡ớc lớn xuất hiện ở lúc bắt đầu của trận m‡a ro Vì mất nhiều thời gian hơn để rơi qua không khí ch‡a bão hòa, các giọt n‡ớc nhỏ dễ dng bốc hơi tr‡ớc khi tới bề mặt (Tuy nhiên, sự bốc hơi sẽ giảm sau một ít phút, khi các giọt n‡ớc đầu tiên đã lm tăng đáng kể dung l‡ợng ẩm của không khí)

Hình dạng giọt m €a Một trong những chuyện hoang đ‡ờng thịnh hnh về

thời tiết l nói rằng những hạt m‡a có dạng giọt n‡ớc mắt Trong thực tế, các giọt

n‡ớc m‡a đầu tiên có dạng hình cầu (hình 7.11a) Khi chúng lớn lên nhờ sự va chạm v liên kết, vận tốc của chúng tăng v lực cản của gió mạnh hơn lm phẳng chúng ở phía mặt d‡ới để tạo cho chúng có hình dạng cái dù hoặc cây nấm (hình 7.11b) Vì mặt đáy của các giọt n‡ớc bị phẳng, diện tích bề mặt lớn hơn lm tăng độ cản của gió v dẫn đến thậm chí phẳng hơn nữa (hình 7.11c) Dần dần, lực cản của gió lớn hơn sức căng bề mặt (sức căng bề mặt giữ các giọt n‡ớc với nhau) v các giọt

bị vỡ thnh các giọt nhỏ (hình 7.11d) Những giọt n‡ớc nhỏ sau đó lại bắt đầu lớn lên nhờ sự va chạm v liên kết