Thời tiết và khí hậu - Phần 2 Nước trong khí quyển - Chương 5 docx

Giống nh‡ áp suất khí quyển, áp suất hơi th‡ờng đ‡ợc biểu diễn bằng đơn vị miliba mb theo các nhkhí t‡ợng học Mỹ v bằng kilôpascal kPa theo các đồng nghiệp Canađa, mặc dù trong phần l

đ‡ợc cảnh t‡ợng khủng khiếp chiếc may bay hai động cơ xoay ba lần rồi lao xuống cánh đồng cách đ‡ờng bay số 3 m‡ời tám dặm Không một ng‡ời no sống sót trong

số 29 hnh khách v đội lái

Các chuyên gia an ton hng không lập tức nghi ngờ sự kết băng l nguyên nhân của tai nạn Bằng chứng tiếp theo, nh‡ máy bay đã gặp hai lần trục trặc tr‡ớc đó với hệ thống chống kết băng, đã củng cố thêm sự dự đoán ủy ban An tonVận tải Quốc gia nhất trí kết luận rằng một mng băng bao cánh máy bay v tốc độ tiếp đất thấp đã lm cho máy bay mất độ nâng khí động lực cần thiết

Mặc dù những vụ vỡ máy bay khác đã từng gây nên do kết băng máy bay, song những tai nạn ny rất hiếm khi xảy ra Tuy nhiên, thực tế vẫn l điều kiện thời tiết

có thể tạo ra những vấn đề quan trọng đối với ngnh hng không Thời tiết nguy hiểm rất hay tạo ra rối cực đoan hoặc biến đổi nhanh điều kiện gió Đôi khi thậm chí những điều kiện t‡ơng đối ôn hòa có thể gây nên những nguy hiểm đáng kể nh‡

tr‡ờng hợp ở Detroit Thậm chí một dải hoặc lớp mây mù nhẹ có thể lm giảm tầm nhìn v đe dọa sự an ton giao thông đ‡ờng bộ v trên không Mặc dù mây v

s‡ơng mù rất phổ biến trong đời sống th‡ờng ngy, nh‡ng nhiều ng‡ời trong chúng

ta hiểu biết rất kém về chúng hình thnh nh‡ thế no

N‡ớc l chất duy nhất không chỉ bởi vì nó xuất hiện tự nhiên gần bề mặt Trái

Đất ở các pha rắn, lỏng v khí, m còn bởi vì nó có thể chuyển đổi giữa các pha đó trong một khoảng thời gian khá ngắn Thật vậy, về trung bình, một phân tử hơi

n‡ớc trong khí quyển sẽ tồn tại trong pha khí chỉ trong ít ngy tr‡ớc khi ng‡ng tụ thnh những giọt chất lỏng hoặc tinh thể băng để tạo thnh mây hoặc s‡ơng mù Mây v s‡ơng mù cũng có khoảng thời gian sống hạn chế v th‡ờng bốc thnh hơi hoặc rơi xuống thnh m‡a trong vòng vi giờ hình thnh

Ch‡ơng ny bắt đầu phần 2, “N‡ớc trong khí quyển”, bằng việc mô tả những cơ

sở về độ ẩm khí quyển Đó l những cơ sở của các quá trình m nhờ đó n‡ớc có thể

chuyển từ pha ny sang pha khác v giới thiệu những phép đo chung để chúng ta thể hiện độ ẩm Ch‡ơng ny cũng sẽ mô tả những cơ sở liên quan tới sự hình thnh s‡ơng mù v mây Ch‡ơng 6 mô tả các quá trình phát triển mây v dạng mây kết quả Ch‡ơng 7 bn luận những giọt n‡ớc mây lớn lên nh‡ thế no để rơi xuống thnh giáng thủy Những chủ đề thảo luận ở đây rất quan trọng để hiểu một số hiện t‡ợng thời tiết chung nhất cũng nh‡ những hiện t‡ợng đôi khi ảnh h‡ởng tới con ng‡ời.

Hơi n ~ớc v† n~ớc lỏng

Mặc dù vật chất ở pha khí có độ nén cao, song mật độ của một chất khí không thể tăng đến một mức cao tùy ý Khi chất khí đạt tới một điểm giới hạn no đó, nó buộc phải chuyển thnh trạng thái lỏng hoặc rắn Đối với một chất khí khí quyển - hơi n‡ớc, giới hạn đó th‡ờng đạt tới tại các nhiệt độ v áp suất th‡ờng thấy trên Trái Đất (Những chất khí khác, nh‡ nitơ v ôxy, chỉ có thể bị hóa lỏng tại những nhiệt độ rất thấp) Không khí chứa nhiều n‡ớc nhất có thể đ‡ợc gọi l không khí bão hòa v nếu đ‡a thêm hơi n‡ớc sẽ dẫn đến hình thnh các giọt n‡ớc hoặc tinh thể băng Khái niệm về bão hòa l khái niệm cơ sở để hiểu các quá trình hình thnh mây v s‡ơng mù Chúng ta bắt đầu thảo luận với một thực nghiệm giả định trong phòng thí nghiệm, nó mô tả những nguyên lý chung về bay hơi v ng‡ng tụ Sau đó, chúng ta áp dụng những nguyên lý ấy cho các quá trình diễn ra trong khí quyển thực

Bay hơi v ˆ ng€ng tụ

Hình 5.1 biểu diễn một thí nghiệm giả định, trong đó một hộp bịt kín chứa một phần n‡ớc tinh khiết (H2O) Mặc dù điều ny có thể t‡ởng nh‡ hiển nhiên tại thời

điểm ny, nh‡ng chúng ta hãy đặt điều kiện rằng n‡ớc ở trong bình có bề mặt phẳng hon ton Ngoi ra, giả sử tại lúc bắt đầu thí nghiệm bề mặt n‡ớc đ‡ợc che phủ bởi một lớp vỏ kín sao cho hơi n‡ớc không tồn tại ở trong thể tích bình chứa phía bên trên bề mặt n‡ớc Thể tích bên trên bề mặt n‡ớc chứa không khí hay không hon ton không liên quan gì tới thí nghiệm ny Thể tích đó có thể chứa không khí bình th‡ờng, hyđrô nguyên chất, mêtan hay chất thơm từ n‡ớc hoa Pháp

- nó thậm chí l chân không hon ton Tất cả vấn đề liên quan tới quá trình bay hơi/ng‡ng tụ l hơi n‡ớc không có mặt lúc đầu

Hình 5.1b cho thấy điều gì xảy ra khi chúng ta nhấc bỏ lớp phủ trên bề mặt

n‡ớc lỏng Không có lớp phủ, một số phân tử tại bề mặt có thể thoát vo thể tích bên trên thnh hơi n‡ớc Quá trình m các phân tử thoát tự do khỏi thể tích chất lỏng đ‡ợc gọi l bay hơi Quá trình ng‡ợc lại l ng€ng tụ, trong quá trình ny các phân tử hơi n‡ớc ngẫu nhiên va chạm với bề mặt n‡ớc v gắn kết với các phân tử bên cạnh Tại thời điểm đầu của thí nghiệm giả định không thể xảy ra ng‡ng tụ bởi vì không có hơi n‡ớc Tuy nhiên, khi bay hơi bắt đầu, hơi n‡ớc bắt đầu tích tụ bên trên bề mặt của chất lỏng

Hình 5.1 Một bình t ~ởng t~ợng chứa n~ớc tinh khiết với một bề mặt phẳng v† thể tích nằm bên trên lúc đầu không chứa hơi n ~ớc (a) Khi bay hơi bắt đầu (b), hơi n~ớc tích lũy trong thể tích bên trên

bề mặt n ~ớc lỏng Lúc đầu ng~ng tụ không thể xảy ra bởi vì không có hơi n~ớc ở bên trên chất lỏng Nh ~ng khi bay hơi cung cấp n~ớc cho thể tích bên trên, ng~ng tụ có thể xuất hiện Bay hơi

v ~ợt trội ng~ng tự một thời gian v† nhờ đó l†m tăng dung l~ợng hơi n~ớc Dần dần hơi n~ớc ở bên trên chất lỏng đủ nhiều để cho ng ~ng tụ bằng bay hơi (c) Tại thời điểm n†y, sự bão hòa xuất hiện

Tại thời đoạn sớm của bay hơi, dung l‡ợng hơi n‡ớc thấp ngăn chặn không cho

ng‡ng tụ xảy ra v tốc độ bay hơi v‡ợt trội tốc độ ng‡ng tụ Điều đó lm tăng l‡ợnghơi n‡ớc Tuy nhiên, khi dung l‡ợng hơi n‡ớc tăng lên, tốc độ ng‡ng tụ cũng tăng Dần dần, l‡ợng hơi n‡ớc bên trên bề mặt đủ để cho tốc độ ng‡ng tụ v bay hơi trở nên bằng nhau nh‡ hình 5.1c Bây giờ một l‡ợng hơi n‡ớc không đổi tồn tại ở trong thể tích bên trên bề mặt n‡ớc do nhận v mất bù trừ giữa bay hơi v ng‡ng tụ Trạng thái cân bằng kết quả đ‡ợc gọi l bão hòa

Trạng thái bão hòa đ‡ợc mô tả ở đây có thể diễn ra cho dù có hay không có không khí (hay các khí khác) tồn tại trong hộp chứa Nói cách khác, hơi n‡ớc không

bị “giữ” bởi không khí (mặc dù nhiều khi ng‡ời ta vẫn th‡ờng khẳng định mệnh đề sai lầm ny) Hơi n‡ớc l một chất khí, giống nh‡ các hợp phần khác của không khí Do đó, nó không cần phải bị “giữ” bởi không khí giống nh‡ ôxy, nitơ, acgôn vcác khí khác của khí quyển không cần bị giữ bởi hơi n‡ớc! Khi không khí bão hòa thì chỉ đơn giản l có một sự cân bằng giữa bay hơi v ng‡ng tụ; không khí khô không có vai trò trong việc đạt trạng thái ny Cũng cần biết rằng sự trao đổi hơi

n‡ớc v chất lỏng đ‡ợc mô tả ở đây cũng áp dụng cho sự chuyển đổi pha giữa hơi n‡ớc v băng Sự chuyển đổi pha trực tiếp từ băng thnh hơi n‡ớc, không qua pha lỏng, đ‡ợc gọi l thăng hoa Quá trình ng‡ợc lại (từ hơi n‡ớc thnh băng) gọi l lắng đọng (Các nh khí t‡ợng đôi khi dùng từ thăng hoa áp dụng cho chuyển đổi

pha hơi thnh rắn cũng nh‡ rắn thnh hơi Vì các quá trình ng‡ợc nhau không nên

có cùng một tên, nên sử dụng chuyên từ lắng đọng cho sự chuyển đổi hơi thnhbăng)

Các chỉ số về dung l~ợng hơi n~ớc

Chúng ta cần có một cách no đó biểu diễn dung l‡ợng n‡ớc của không khí giống nh‡ đối với một thuộc tính khác bất kỳ của khí quyển Độ ẩm l l‡ợng hơi

n‡ớc trong không khí Độ ẩm có thể đ‡ợc biểu diễn bằng một số cách - thông qua mật độ của hơi n‡ớc, áp suất của hơi n‡ớc, tỉ lệ phần trăm của l‡ợng hơi n‡ớc có thể thực sự tồn tại hoặc một số ph‡ơng pháp khác Không có một số đo “đúng” duy nhất, m ng‡ợc lại, mỗi số đo có những ‡u điểm v nh‡ợc điểm của nó, tùy thuộc vo mục đích sử dụng dự định Tuy nhiên, tất cả các số đo về độ ẩm có một nét chung - chúng áp dụng tuyệt đối cho hơi n‡ớc v không cho các giọt chất lỏng hay các tinh thể băng ở trong hoặc đang rơi qua không khí Bây giờ chúng ta xem xét các số đo đó

á p suất hơi

Trong các ch‡ơng 1 v 4, chúng ta thấy rằng không khí tác động áp suất lên tất cả các bề mặt Từng chất khí cấu tạo nên khí quyển góp phần vo áp suất không khí tổng cộng, các chất khí th‡ờng trực nhiều nhất tạo thnh phần lớn áp suất Bởi vì hơi n‡ớc hiếm khi chiếm hơn 4 % khối l‡ợng khí quyển tổng cộng, nên nó chỉ tác

động một tỉ lệ phần trăm nhỏ của áp suất không khí tổng cộng Phần áp suất khí quyển tổng cộng do hơi n‡ớc tác động đ‡ợc gọi l áp suất hơi Giống nh‡ áp suất

khí quyển, áp suất hơi th‡ờng đ‡ợc biểu diễn bằng đơn vị miliba (mb) theo các nhkhí t‡ợng học Mỹ v bằng kilôpascal (kPa) theo các đồng nghiệp Canađa, mặc dù trong phần lớn các ứng dụng khoa học pascal (Pa) l đơn vị đ‡ợc ‡a dùng nhất (100

Vì có một l‡ợng hơi n‡ớc cực đại có thể tồn tại, nên cũng có áp suất hơi cực đại t‡ơng ứng, gọi l áp suất hơi bão hòa.áp suất hơi bão hòa không biểu thị l‡ợng

ẩm hiện tại trong không khí, ng‡ợc lại, nó l biểu thị của cái cực đại có thể tồn tại

áp suất hơi bão hòa chỉ phụ thuộc vo một biến - nhiệt độ Hình 5.3 biểu diễn mối liên quan giữa áp suất hơi bão hòa v nhiệt độ, nhiệt độ cng cao thì áp suất hơi bão hòa cng cao Ví dụ, tại 40oC áp suất hơi bão hòa l 73,8 mb, còn tại 0oC áp suất hơi bão hòa chỉ bằng 6,1 mb, nhỏ hơn một phần m‡ời

Sự tăng áp suất hơi bão hòa theo nhiệt độ không tuyến tính Tại những nhiệt

độ thấp, áp suất hơi bão hòa chỉ tăng rất ít, nh‡ng tại những nhiệt độ cao, áp suất hơi bão hòa tăng rất nhanh Ví dụ, tại 2oC tăng nhiệt độ từ 0oC lên 2oC lm tăng áp suất hơi bão hòa từ 6,1 mb lên 7,1 mb, chỉ khác nhau 1 mb Cũng với l‡ợng tăng nhiệt độ nh‡ trên, nh‡ng từ một điểm xuất phát cao hơn, từ 40oC lên 42 oC, áp suất hơi bão hòa tăng lên 7,7 mb, từ 73,8 lên thnh 81,5 mb

Độ ẩm tuyệt đối

Một số đo khác về dung l‡ợng hơi n‡ớc l độ ẩm tuyệt đối, đơn giản l mật độ

của hơi n‡ớc đ‡ợc biểu diễn bằng số gam hơi n‡ớc chứa trong một mét khối không khí Vì độ ẩm tuyệt đối biểu diễn l‡ợng n‡ớc chứa trong một thể tích không khí, nên giá trị của nó thay đổi mỗi khi không khí giãn hoặc nén Do đó, ví dụ, nếu một phần tử không khí giãn ra (khi nó nóng hơn hoặc nâng lên cao), độ ẩm tuyệt đối của

nó sẽ giảm, mặc dù hơi n‡ớc không bị mất khỏi phần tử Vì độ ẩm tuyệt đối có nh‡ợc điểm ny, nên nó không có tính ‡u việt lớn so với những chỉ số khác v ít

đ‡ợc sử dụng

Độ ẩm riêng

Mặc dù không đ‡ợc sử dụng nhiều bên ngoi những ứng dụng khoa học, độ ẩm riêng l một chỉ số hữu ích để biểu diễn độ ẩm khí quyển Độ ẩm riêng thể hiện khối l‡ợng hơi n‡ớc tồn tại trong một khối l‡ợng không khí đang xét Ví dụ, xét một thể tích chứa đúng 1 kg không khí (tại mực n‡ớc biển thể tích đó bằng khoảng 0,8 mét khối) Trong 1 kg đó một số gam l hơi n‡ớc Tỉ lệ khối l‡ợng không khí thuộc

về phần hơi n‡ớc l độ ẩm riêng Thông th‡ờng nhất, độ ẩm riêng đ‡ợc biểu diễn bằng số gam hơi n‡ớc trong một kilôgam không khí

Thật ra, chúng ta đã một cách không t‡ờng minh đề cập đến độ ẩm riêng trung bình của khí quyển ở trong ch‡ơng 1 khi nói rằng hơi n‡ớc thông th‡ờng chỉ chiếm khoảng 1 hoặc 2 phần trăm khối l‡ợng khí quyển Vì hơi n‡ớc ở bên ngoi vùng nhiệt đới th‡ờng l ít hơn 2 phần trăm khối l‡ợng không khí, các độ ẩm riêng

th‡ờng nhỏ hơn 20 gam hơi n‡ớc trong một kilôgam không khí Độ ẩm riêng q đ‡ợc

biểu diễn toán học nh‡ sau:

d v

v v

m m

m m

m q

Khác với độ ẩm tuyệt đối, độ ẩm riêng có ‡u điểm không thay đổi khi không khí giãn nở hoặc co lại Ví dụ, khi một kilôgam không khí nở ra, khối l‡ợng của nó không thay đổi (nó vẫn l 1 kg), v tỉ phần thuộc về hơi n‡ớc không thay đổi Kết quả l, độ ẩm riêng không bị ảnh h‡ởng Một đặc điểm thuận tiện khác của độ ẩm riêng l nó không phụ thuộc vo nhiệt độ Nếu một kilôgam không khí chứa 1 g hơi

n‡ớc, nó vẫn chứa 1 g sau khi bị nung nóng Vì lý do đó, độ ẩm riêng l một chỉ thị tốt để so sánh hơi n‡ớc trong không khí tại những địa ph‡ơng khác nhau m mỗi nơi nhiệt độ không khí có thể khác nhau

Ví dụ, nếu Toronto, Ontario có độ ẩm riêng 10 gam hơi n‡ớc trong 1 kg không khí vo một ngy no đó, còn Albuquerque, New Mexico có 5 g/kg, chúng ta có thể khẳng định rằng Toronto có hơi n‡ớc trong không khí nhiều bằng hai lần Albuquerque, nhiệt độ hai nơi đó l bao nhiêu không thnh vấn đề Điều ny có thể

l tỏ ra không có gì đặc biệt, nh‡ng sự t‡ơng ứng trực tiếp giữa độ ẩm riêng vdung l‡ợng hơi n‡ớc không còn đúng đối với chỉ số độ ẩm th‡ờng đ‡ợc dùng - độ ẩm

t‡ơng đối Vì vậy, độ ẩm riêng l một số đo hữu ích về hơi n‡ớc; nó chỉ có nh‡ợc

điểm duy nhất l công chúng ít quen thuộc với chuyên từ ny

Hình 5.3 áp suất hơi bão hòa v † độ ẩm riêng bão hòa nh~ một h†m của

nhiệt độ Đ ~ờng cong dốc hơn tại các nhiệt độ cao có nghĩa rằng áp

suất hơi bão hòa nhạy cảm hơn với biến thiên nhiệt độ khi không khí ấm

Vì có một l‡ợng cực đại hơi n‡ớc có thể tồn tại tại một nhiệt độ cụ thể, nên cũng có một độ ẩm riêng cực đại Cực đại đó đ‡ợc gọi l độ ẩm riêng bão hòa.

Tính chất ny trực tiếp t‡ơng tự với áp suất hơi bão hòa v tăng theo kiểu không tuyến tính nh‡ trên hình 5.3

Tỉ số xáo trộn

Tỉ số xáo trộn rất giống với độ ẩm riêng Trong tr‡ờng hợp độ ẩm riêng, chúng

ta biểu diễn khối l‡ợng hơi n‡ớc trong không khí nh‡ một tỉ phần của tất cả không

khí Ng‡ợc lại, tỉ số xáo trộn r l một số đo khối l‡ợng hơi n‡ớc t‡ơng đối so với

khối l‡ợng của các chất khí khác của khí quyển, hay

Một ví dụ đơn giản có thể lm rõ sự t‡ơng tự giữa độ ẩm riêng v tỉ số xáo trộn Nếu độ ẩm riêng l 10 g hơi n‡ớc trong 1 kg không khí, tỉ số xáo trộn l 10 g hơi

n‡ớc trên 990 g không khí khô Hãy l‡u ý rằng 10 chia cho 990 bằng 10,0011 Nói khác đi, nếu độ ẩm riêng l 10,0 g/kg, thì tỉ số xáo trộn chỉ cao hơn 1,1 %, hay 10,011 g/kg

Sử dụng tỉ số xáo trộn nh‡ một chỉ số về dung l‡ợng độ ẩm có cùng những ‡u

điểm nh‡ độ ẩm riêng Ngoi ra, hon ton giống nh‡ độ ẩm riêng cực đại có thể tồn tại đ‡ợc gọi l độ ẩm riêng bão hòa, thì tỉ số xáo trộn cực đại có thể đ‡ợc gọi l

tỉ số xáo trộn bão hòa.

Độ ẩm t €ơng đối

Số đo quen thuộc nhất về dung l‡ợng hơi n‡ớc l độ ẩm t€ơng đối, RH, nó liên hệ l‡ợng hơi n‡ớc trong không khí với l‡ợng cực đại có thể tại nhiệt độ hiện thời Một cách t‡ơng đ‡ơng, độ ẩm t‡ơng đối bằng

RH = (độ ẩm riêng / độ ẩm riêng bão hòa) ì 100 % Nói cách khác, độ ẩm t‡ơng đối l l‡ợng hơi n‡ớc biểu diễn t‡ơng đối với giá trị cực đại có thể tồn tại tại một nhiệt độ cụ thể (điểm bão hòa của nó) Để xem xét cụ thể, ta xét ví dụ trên hình 5.4, trong đó độ ẩm riêng thực tế l 6 g/kg không khí vnhiệt độ 14oC cho độ ẩm riêng bão hòa 10 g/kg không khí Do đó, độ ẩm t‡ơng đối sẽ bằng

% 60

% 100 6 , 0

% 100 10

từ giá trị xuất phát 14oC lên 25oC Tại nhiệt độ mới, độ ẩm riêng bão hòa tăng lên tới 20 g hơi n‡ớc trong 1 kg không khí v độ ẩm t‡ơng đối trở thnh

% 30

% 100 3 , 0

% 100 20

6

Độ ẩm t‡ơng đối đã bị giảm mặc dù l‡ợng hơi n‡ớc giữ không đổi! Đây l một nh‡ợc

điểm quan trọng đối với một chỉ số bất kỳ nhằm dùng lm số đo về độ ẩm

Hình 5.4 Quan hệ giữa độ ẩm t ~ơng đối v† nhiệt độ (a) Nhiệt độ 14 o C có độ ẩm riêng bão hòa 10 g hơi n ~ớc trong 1 kg không khí Nếu độ ẩm riêng thực tế l† 6 g/kg, độ ẩm t~ơng đối bằng 60%; (b) Độ ẩm riêng vẫn l † 6 g/kg, nh~ng nhiệt độ cao hơn dẫn tới độ ẩm riêng bão hòa lớn hơn, do đó độ ẩm t ~ơng đối nhỏ hơn tr~ờng hợp (a) mặc dù mật độ hơi n~ớc vẫn nh~ cũ

Vì phụ thuộc vo nhiệt độ, độ ẩm t‡ơng đối sẽ thay đổi trong ngy thậm chí nếu l‡ợng n‡ớc trong không khí không thay đổi Độ ẩm t‡ơng đối th‡ờng cao volúc sáng sớm - không phải vì nhiều hơi n‡ớc, m đơn giản bởi vì nhiệt độ thấp Khi trời ấm dần, độ ẩm t‡ơng đối th‡ờng giảm bởi vì độ ẩm riêng bão hòa tăng lên

Sự ảnh h‡ởng của nhiệt độ tới độ ẩm t‡ơng đối gây nên một vấn đề khác - nó gây khó khăn cho việc so sánh trực tiếp dung l‡ợng n‡ớc tại các vị trí khác nhau có nhiệt độ không bằng nhau Ví dụ, xét một buổi sáng lạnh ở Montreal, Quebec, nhiệt

độ bằng -20oC v độ ẩm riêng l 0,7 g/kg Tại -20oC độ ẩm riêng bão hòa l 0,78 g hơi n‡ớc trong 1 kg không khí, v độ ẩm t‡ơng đối kết quả l (0,70/0,78)ì100%,hay 89,7% Bây giờ hãy so sánh với tình huống ấm hơn tại Atlanta, nơi nhiệt độ l

10oC v độ ẩm riêng 6,2 g/kg (gần 10 lần lớn hơn so với ở Montreal!) Tại 10oC độ

ẩm riêng bão hòa l 7,7 g hơi n‡ớc trong 1 kg không khí, nên độ ẩm t‡ơng đối l

%100

nhiều Điều ny cho thấy vì sao độ ẩm t‡ơng đối l một lựa chọn kém để so sánh

l‡ợng hơi n‡ớc trong không khí ở các nơi khác nhau

Một số ng‡ời hon ton nhầm lẫn về ý nghĩa thực của độ ẩm t‡ơng đối Một số ng‡ời nghĩ thuật ngữ ny biểu diễn phần không khí l hơi n‡ớc Điều đó không

đúng Để hiểu vì sao, hãy xét một tình huống trong đó độ ẩm t‡ơng đối l 100% Nếu không khí có 100% hơi n‡ớc, thì nó không thể chứa nitơ hay ôxy v chúng ta khó m thở đ‡ợc Một điều nhầm lẫn phổ biến khác, đó l về độ ẩm t‡ơng đối có thể cao nh‡ thế no vo một ngy nóng, ẩm Nhiều ng‡ời có thể cho rằng vo một ngy

nh‡ vậy độ ẩm t‡ơng đối có lẽ khoảng 99% Nh‡ng trên thực tế, những ngy rất nóng không bao giờ có độ ẩm t‡ơng đối gần với giá trị đó Bởi vì tại các nhiệt độ cao

độ ẩm riêng bão hòa cao hơn rất nhiều so với độ ẩm riêng thực tế vẫn th‡ờng gặp

Ví dụ, nếu nhiệt độ l 35oC, độ ẩm riêng bão hòa l 36,8 g hơi n‡ớc trong 1 kg không khí Nh‡ng chúng ta đã thấy rằng bên ngoi vùng nhiệt đới ít khi độ ẩm riêng v‡ợt quá 20 g/kg - thậm chí khi không khí rất ẩm Vậy độ ẩm t‡ơng đối 99% không phải l một khả năng hiện thực tại nhiệt độ đó Thực ra, những ngy nóng có thể l rất khó chịu thậm chí với độ ẩm t‡ơng đối chỉ khoảng 50%

Điểm s€ơng

Một chỉ số độ ẩm hữu ích không bị phụ thuộc nhiệt độ l nhiệt độ điểm s€ơng (hay gọi đơn giản l điểm s€ơng) Đại l‡ợng ny thoạt đầu có thể tỏ ra khó

hiểu bởi vì nó đ‡ợc biểu diễn nh‡ nhiệt độ, nh‡ng nó l một chỉ số đơn giản sử dụng

v dễ giải thích ý nghĩa V nó phụ thuộc hầu nh‡ hon ton vo l‡ợng hơi n‡ớchiện có

Để minh họa điểm s‡ơng, ta xét phần tử không khí ch‡a bão hòa trên hình 5.5 Ban đầu nhiệt độ không khí l 14oC, ứng với một độ ẩm riêng bão hòa 10 g hơi n‡ớctrong 1 kg không khí Độ ẩm riêng ban đầu l 8 g/kg Độ ẩm t‡ơng đối do đó bằng 80% Khi không khí bị lạnh xuống, độ ẩm t‡ơng đối của nó tăng lên v nếu không khí bị lạnh đủ nhiều thì độ ẩm t‡ơng đối của nó đạt đến 100% v trở nên bão hòa Nếu lạnh tiếp nữa sẽ dẫn tới hơi n‡ớc bị mất do ng‡ng tụ Nhiệt độ m tại đó sự bão hòa xuất hiện gọi l điểm s‡ơng Trong ví dụ ny, điểm s‡ơng l 10oC vì đây lnhiệt độ m tại đó độ ẩm riêng bão hòa l 8 g/kg Hãy để ý rằng mặc dù độ ẩm

t‡ơng đối đã tăng lên khi nhiệt độ giảm, nh‡ng điểm s‡ơng giữ nguyên không đổi

l 10oC

Điều gì có thể sẽ xảy ra nếu nh‡ độ ẩm riêng giữ nguyên không đổi, còn nhiệt

độ thì tăng lên quá giá trị xuất phát 14oC? Độ ẩm t‡ơng đối sẽ bị giảm, còn điểm

s‡ơng vẫn giữ nguyên không đổi Điểm s‡ơng sẽ không thay đổi, bởi vì sự nguội lạnh dần của không khí đến 10oC vẫn dẫn tới sự bão hòa

Điểm s‡ơng l một chỉ thị tốt về dung l‡ợng n‡ớc; khi điểm s‡ơng cao thì nhiều hơi n‡ớc trong không khí Hơn nữa, khi kết hợp với nhiệt độ không khí, nó lmột chỉ thị về độ ẩm t‡ơng đối Khi điểm s‡ơng thấp hơn nhiều so với nhiệt độ không khí, độ ẩm t‡ơng đối rất thấp Khi điểm s‡ơng gần bằng nhiệt độ không khí,

độ ẩm t‡ơng đối cao Ngoi ra, khi nhiệt độ không khí v điểm s‡ơng bằng nhau,

không khí bão hòa v độ ẩm t‡ơng đối l 100%

Hình 5.5 Điểm s ~ơng thể hiện dung l~ợng hơi n~ớc, mặc dù nó đ~ợc biểu diễn nh~ nhiệt độ Trong (a) nhiệt độ lớn hơn điểm s ~ơng v† không khí ch~a bão hòa Khi nhiệt

độ không khí bị hạ thấp sao cho độ ẩm riêng bão hòa bằng chính độ ẩm riêng thực tế (b), thì nhiệt độ không khí v † điểm s~ơng bằng nhau Tiếp tục bị lạnh nữa (c) dẫn đến nhiệt độ không khí v † điểm s~ơng giảm cùng một l~ợng v† chúng duy trì bằng nhau

Khác với độ ẩm t‡ơng đối, điểm s‡ơng không thay đổi đơn giản chỉ vì nhiệt độ không khí thay đổi Ngoi ra, nếu một địa ph‡ơng có điểm s‡ơng cao hơn so với một

địa ph‡ơng khác, thì địa ph‡ơng đó cũng có l‡ợng hơi n‡ớc trong không khí cao hơn trong điều kiện cùng áp suất không khí Nếu bạn quen thuộc với điểm s‡ơng, có lẽ

nó l chỉ số hữu hiệu nhất về dung l‡ợng hơi n‡ớc Điểm s‡ơng vo những ngy rất nóng, ẩm điển hình ở khoảng âm 2oC (Khi bạn thấy điểm s‡ơng bằng 70oF hoặc cao hơn, bạn sẽ có một đêm khó ngủ trừ khi bạn dùng máy điều hòa không khí) Vonhững ngy dễ chịu, không ẩm v không khô, điểm s‡ơng có thể bằng khoảng một vi phần m‡ờioC d‡ới không; những ngy rất khô có thể có điểm s‡ơng khoảng âm

2oC hoặc thấp hơn

Điểm s‡ơng luôn bằng hoặc thấp hơn nhiệt độ không khí; không bao giờ cao hơn nhiệt độ không khí Vậy điều gì sẽ xảy ra nếu không khí bị lạnh đến điểm s‡ơng v sau đó lạnh tiếp? Trong tr‡ờng hợp đó, l‡ợng hơi n‡ớc v‡ợt trội l‡ợng có thể tồn tại v l‡ợng hơi n‡ớc thừa bị loại ra khỏi không khí Điều ny xảy ra bằng quá trình ng‡ng tụ để hình thnh chất lỏng hoặc bằng quá trình hình thnh các tinh thể băng Trong cả hai tr‡ờng hợp, điểm s‡ơng dều giảm xuống với cùng tốc độ nh‡ nhiệt độ không khí v hai chỉ tiêu đó bằng nhau Điều ny đ‡ợc minh họa trên

hình 5.5b v 5.5c Khi nhiệt độ bị xuống thấp đến 10C trên hình 5.5b, không khí trở nên bão hòa với 8 g hơi n‡ớc trong 1 kg không khí Khi không khí lạnh tiếp tới

6oC (hình 5.5c) độ ẩm riêng bão hòa giảm tới 6 g/kg Vì độ ẩm riêng theo định nghĩa không thể lớn hơn độ ẩm riêng bão hòa, 2 g hơi n‡ớc (8 g trừ 6 g) phải bị loại ra khỏi mỗi kilôgam không khí bằng ng‡ng tụ Loại bỏ hơi n‡ớc giữ cho độ ẩm riêng bằng độ ẩm riêng bão hòa v cũng hạ thấp điểm s‡ơng Hãy l‡u ý rằng nhiệt độ mtại đó có thể xảy ra bão hòa thấp hơn 0oC, chúng ta sử dụng thuật ngữ điểm đóng băng thay cho điểm s‡ơng

5-1 Dự báo:

Điểm s‡ơng v nhiệt độ tối thấp ban đêm

Biết nhiệt độ điểm s‡ơng hiện tại l

một công cụ hữu ích để dự báo nhiệt độ

thấp buổi sáng Nếu không chờ đợi sự

chuyển đổi tr‡ờng gió một cách cơ bản

hoặc những thay đổi thời tiết khác, thì

nhiệt độ tối thấp sẽ th‡ờng gần bằng

bình th‡ờng Nếu nhiệt độ không khí

thực sự hạ xuống tới điểm s‡ơng v có gió

nhẹ, thì s‡ơng mù bức xạ dễ có khả năng

hình thnh Sau đó s‡ơng sẽ ngăn cản

lm lạnh tiếp, bởi vì các giọt n‡ớc l

những vật hấp thụ rất hiệu quả bức xạ

sóng di từ bề mặt Không bị mất bức xạ,

nhiệt độ bề mặt sẽ giữ nguyên không đổi

v quá trình hạ nhiệt độ qua đêm sẽ bằng

nhiệt độ điểm s‡ơng

Mối quan hệ giữa điểm s‡ơng v

nhiệt độ tối thấp sẽ không còn duy trì

trong những điều kiện nhất định Ví dụ,

hãy t‡ởng t‡ợng một khối không khí ấm

đang di chuyển tới khu vực dự báo Khối

không khí lớn ny có thể thay thế khối

không khí hiện diện tại thời gian dự báo

v mang theo nó những nhiệt độ ban đêm cao hơn Một cách t‡ơng tự, khi một front lạnh tiến về (đã đ‡ợc mô tả ngắn gọn ở ch‡ơng 1 v sẽ bn luận chi tiết hơn ở ch‡ơng 9) có thể lm giảm mạnh nhiệt độ xuống thấp hơn điểm s‡ơng hiện tại Thảm mây dy đặc v gió mạnh ngăn cản không cho nhiệt độ giảm v có thể giữ cho nhiệt độ không khí tối thấp cao hơn điểm s‡ơng Thảm mây có đ‡ợchiệu ứng ny bởi vì nó hấp thụ v tái phát xạ năng l‡ợng sóng di xuống phía d‡ới Gió mạnh ngăn không cho giảm nhiệt độ nhiều tại bề mặt bởi vì nó gây nên xáo trộn thẳng đứng Lớp không khí lạnh d‡ới thấp lẽ ra phải phát triển thì lại dễ bị phá vỡ, dẫn tới những nhiệt độ

bề mặt cao hơn v phân bố nhiệt độ đồng nhất hơn theo độ cao

Các nhiệt độ tối thấp sẽ không gảm tới điểm s‡ơng nếu nh‡ chênh lệch giữa nhiệt độ không khí v nhiệt độ điểm s‡ơng rất lớn Ta có thể đã thấy điều ny

có thể xảy ra nh‡ thế no nếu một hoang

đáng kể, nhiệt độ tối thấp sẽ không hạ xuống nhiều quá điểm s‡ơng ban đêm

Phân bố hơi n ~ớc

Hơi n‡ớc đi lên khí quyển nhờ sự bốc hơi địa ph‡ơng cũng nh‡ nhờ sự vận chuyển độ ẩm theo ph‡ơng ngang (bình l‡u) từ những địa ph‡ơng khác Tầm quan

trọng của bình l‡u đối với sự phân bố hơi n‡ớc đ‡ợc thấy rõ trên hình 5.6, hình nycho thấy sự phân bố không gian của điểm s‡ơng (bằng oF voC) trên n‡ớc Mỹ trong tháng 1 (a) v tháng 7 (b) Nhìn lên phần phía đông rộng hai phần ba đất n‡ớc ny

ta thấy rõ trong cả hai tháng l‡ợng hơi n‡ớc nhìn chung giảm theo khoảng cách từ vịnh Mexico Vì nhiệt độ n‡ớc cao ở vịnh, n‡ớc dễ bốc hơi vo khí quyển trong cả năm v độ ẩm ny có thể đ‡ợc vận chuyển lên phía bắc Sự giảm dung l‡ợng hơi

n‡ớc thể hiện trên h‡ớng bắc-nam v di chuyển về phía tây từ khoảng sông Mississipi về phía dãy núi Rocky trong thời gian mùa hè Trong các tháng mùa

đông, l‡ợng ẩm mở rộng tới vùng đồng bằng Great Plans th‡ờng thấp v chỉ thể hiện biến thiên đông-tây một chút

Hiệu ứng khoảng cách kể từ nguồn ẩm còn thể hiện ở miền Tây, hơi n‡ớc nói chung giảm từ bờ Thái Bình D‡ơng tới dãy núi Rocky Sự giảm nhanh nhất xảy ra ở gần bờ bởi vì dãy núi ngăn chặn những l‡ợng lớn hơi n‡ớc khỏi khu vực bên trong

đất liền

So sánh hai bản đồ, bạn sẽ nhận thấy l‡ợng hơi n‡ớc trong không khí tăng lên

đáng kể trong tháng 7 so với trong tháng 1 Điều ny không có gì ngạc nhiên bởi vì những nhiệt độ thấp hơn lm cho dung l‡ợng hơi n‡ớc cao khó tồn tại Do đó, ví dụ, dọc theo thung lũng sông Ohio điểm s‡ơng trung bình tăng từ khoảng -7oC votháng 1 tới khoảng 17oC vo tháng 7 đó l lý do vì sao dân c‡ của phần lớn đất

n‡ớc, đặc biệt ở phía đông dãy Rocky, bị khô da khó chịu trong mùa đông - chỉ đổ

mồ hôi nhiều trong mùa hè

Những bức tranh tổng quát mô tả cho n‡ớc Mỹ cũng đúng với phần lớn n‡ớcCanađa

Những quá trình l †m cho không khí đạt tới bão hòa

Không khí có thể trở nên bão hòa bửi một trong ba quá trình chung: bổ sung hơi n‡ớc vo khí quyển; xáo trộn không khí lạnh với không khí nóng, ẩm; hạ nhiệt

độ tới điểm s‡ơng Quá trình thứ nhất có thể đ‡ợc thấy trong phòng tắm của bạn khi bạn tắm n‡ớc nóng N‡ớc nóng từ đầu vỏi sen bốc hơi vo không khí trong phòng v lm cho không khí đạt tới điểm bão hòa Sự ng‡ng tụ hình thnh tr‡ớchết trên các tấm g‡ơng của bạn v các bề mặt khác, sau đó đến s‡ơng mù phát triển Trong môi tr‡ờng tự nhiên, sự bốc hơi n‡ớc từ những giọt m‡a rơi có thể lmtăng điểm s‡ơng trong không khí ở bên d‡ới mây Nếu hơi n‡ớc đủ nhiều đ‡ợc bổ sung để lm bão hòa không khí thì s€ơng mù giáng thủy sẽ hình thnh ở bên

d‡ới mây

H×nh 5.6 Ph©n bè trung b×nh cña ®iÓm s ~¬ng trªn n~íc Mü trong th¸ng 1 (a) v† th¸ng 7 (b)

Sự ng‡ng tụ từ quá trình thứ hai, xáo trộn không khí lạnh với không khí ẩm nóng, đ‡ợc minh họa trên hình 5.7 Ta xét hai phần không khí ch‡a bão hòa đ‡ợc

đánh dấu bằng các hình tròn Phần A có nhiệt độ 0oC v độ ẩm riêng 3 g hơi n‡ớctrong 1 kg không khí; phần B có nhiệt độ 30oC v độ ẩm riêng 20 g/kg Nếu những

l‡ợng bằng nhau của hai phần xáo trộn với nhau, thì phần mới có nhiệt độ 15oC,

đúng bằng trung bình giữa các nhiệt độ của hai phần gốc Tuy nhiên, đối với độ ẩm riêng thì không nh‡ vậy

Hình 5.7 Sự bão hòa bởi xáo trộn không khí nóng ẩm với không khí lạnh Phần A có nhiệt độ thấp

v † do đó chỉ có thể chứa ít hơi n~ớc Phần ấm (phần B) có dung l~ợng ẩm cao hơn Phần C - kết quả xáo trộn A v† B, có nhiệt độ bằng trung bình giữa nhiệt độ của các phần gốc L~ợng hơi n~ớc

trong không khí lớn hơn so với l ~ợng có thể tồn tại ở nhiệt độ mới, nên hơi n~ớc d~ sẽ bị ng~ng tụ

Mặc dù dung l‡ợng H2O tổng cộng ở trong phần xáo trộn đúng bằng các l‡ợngcủa các phần gốc, nh‡ng một số l‡ợng ẩm xuất hiện d‡ới dạng chất lỏng chứ không phải l hơi n‡ớc Bởi vì: điểm giữa của các giá trị độ ẩm riêng xuất phát l 11,5 g/kg, nh‡ng tại 15oC độ ẩm riêng bão hòa chỉ bằng 10,8 g/kg Nói cách khác, không khí chứa một l‡ợng 0,7 g n‡ớc lớn hơn l‡ợng có thể tồn tại d‡ới dạng hơi Do đó

l‡ợng d‡ ng‡ng tụ để tạo thnh các giọt s‡ơng

Quá trình nêu trên l nguyên nhân hình thnh những vệt khói đằng sau máy bay bay ở độ cao lớn Khi động cơ phản lực đốt cháy nhiên liệu, nó thải ra rất nhiều nhiệt v hơi n‡ớc Không khí khi máy bay bay qua có độ rối rất mạnh, nên nhiệt v

hơi n‡ớc (nh‡ng ch‡a bão hòa) thải ra từ động cơ nhanh chóng xáo trộn với không khí lạnh xung quanh Tại nhiệt độ đóng băng ở lớp trên quyển đối l‡u, hơi n‡ớctrực tiếp trở thnh những tinh thể băng hoặc nh‡ng giọt n‡ớc lỏng dần dần đóng băng để tạo thnh vệt khói

trắc diện thẳng đứng của nhiệt độ Vì các

giá trị điểm s‡ơng cũng đ‡ợc biểu diễn

nh‡ nhiệt độ, nên chúng cũng có thể đ‡ợc

vẽ trên các đồ thị nhiệt động lực Thật

vậy, bằng cách biểu diễn nhiệt độ v điểm

s‡ơng đồng thời, bạn có thể nhận đ‡ợc

thông tin đáng kể về điều kiện mây Hãy

xem xét băng thám sát nhiệt độ v điểm

s‡ơng trên hình 1, thu ở sân bay

Staple-ton, gần Denver, Colorado, vo nửa đêm,

thời gian Greenwich, ngy 12/4/2002

Ví dụ trên hình 1 biểu diễn nhiệt độ

(đ‡ơng cong bên phải) v điểm s‡ơng

(bên trái) Nếu bạn đối chiếu hình ny với

trắc diện biểu diễn ở ch‡ơng 3, thu tại

Slidell, Louisiana, bạn sẽ nhận thấy rằng

thám sát bắt đầu tại một áp suất thấp

hơn nhiều - tại khoảng mực 840 mb - so

với ví dụ tr‡ớc Lý do của điều ny rất

đơn giản Cao độ của Denver l 1625 m

lm cho áp suất bề mặt của nó thấp hơn

nhiều so với áp suất tại Slidell, địa điểm

gần mực n‡ớc biển (nhớ lại rằng áp suất

luôn giảm theo độ cao)

lên, nhiệt độ giảm đi nhanh hơn so với

điểm s‡ơng Tại khoảng mực 560 mb (độ

cao khoảng 4850 m trên bề mặt) hai đại

l‡ợng trở nên bằng nhau v không khí

bão hòa (một chút sai số đo đã lm cho

các giá trị nhiệt độ v điểm s‡ơng vẽ trên hình không hon ton bằng nhau) Điểm s‡ơng v nhiệt độ không khí sau đó giảm với cùng tốc độ cho tới tận khoảng mực

460 mb (khoảng 6500 m trên bề mặt), bên trên mực ny nhiệt độ lại lớn hơn điểm s‡ơng Vì không khí l bão hòa trong lớp giữa 4850 m v 6500 m bên trên bề mặt, chúng ta có thể suy ra rằng mây sẽ chiếm lĩnh lớp dy 1650 m đó

Biểu đồ nhiệt động lực đ‡ợc biểu diễn ở đây hơi phức tạp hơn so với ở ch‡ơng 3, bởi vì nó có thêm một tập hợp

đ‡ờng cong cung cấp nhiều kiểu thông tin

độ ẩm Các đ‡ờng gạch nối hơi nghiêng

về bên trái khi chúng đi lên phía trên chỉ

độ ẩm riêng v độ ẩm riêng bão hòa tại một mực bất kỳ Tr‡ớc hết ta xem trắc diện nhiệt độ không khí có thể dùng để xác định độ ẩm riêng bão hòa tại một mực áp suất no đó nh‡ thế no Thấy rằng tại mực 700 mb nhiệt độ không khí

C Một trong số các đ‡ờng nghiêng (ghi nhãn bằng số 7 ở đáy biểu đồ) gần giao nhau với trắc diện nhiệt độ tại mực

700 mb Điều đó chỉ ra rằng trong không khí tại mực 700 mb có độ ẩm riêng bão hòa bằng đúng 7 g hơi n‡ớc trong 1 kg không khí

Chúng ta có thể tuân theo một thủ tục t‡ơng tự để tìm đ‡ợc độ ẩm riêng thực tế tại mực 700 mb Muốn vậy, ta dõi theo trắc diện điểm s‡ơng tới mực 700

mb Điểm m trắc diện cắt qua đ‡ờng

700 mb xuất hiện ngay giữa đ‡ờng nghiêng có nhãn 2 v 4 Nói cách khác, độ

ẩm riêng thực tế tại mực 700 mb chính lgiữa 2 g/kg v 4 g/kg - 3 g/kg l một xấp

xỉ rất tốt

Sau khi ‡ớc l‡ợng đ‡ợc độ ẩm riêng thực tế v độ ẩm riêng bão hòa tại mực

700 mb, dễ dng sử dùng những giá trị để nhận đ‡ợc độ ẩm t‡ơng đối:

RH = (độ ẩm riêng/độ ẩm riêng bão hòa)

Thủ tục ny có thể thực hiện tại bề mặt

hoặc mực bất kỳ no khác của khí quyển

Về sau trong ch‡ơng ny, chúng ta

sẽ thấy các biểu đồ nhiệt động lực có thể cho thông tin quan trọng trong việc dự báo xác suất phát triển mây

Hình 1 Thám sát nhiệt độ v  điểm s‡ơng Đồ thị ny biểu diễn nhiệt độ v điểm

s ‡ơng trong ton đối l‡u quyển v phần lớn bình l‡u quyển Các đ‡ờng nghiêng

gạch nối chỉ giá trị độ ẩm riêng Các nh  khí t‡ợng dùng các đ‡ờng ny cùng với đồ

thị nhiệt độ v  điểm s‡ơng để xác định độ ẩm riêng bão hòa v độ ẩm riêng thực tế

S €ơng hơi l một hiện t‡ợng t‡ơng tự,

nh‡ng xảy ra trong tự nhiên Nh‡ chúng ta đã

biết ở ch‡ơng 3, các thủy vực thay đổi nhiệt độ

khá chậm Các hồ n‡ớc có thể giữ t‡ơng đối

ấm tới tận mùa thu hoặc đầu mùa đông, thậm

chí khi nhiệt độ không khí đã thấp Do bốc hơi

v vận chuyển nhiệt hiện lên phía trên, một

lớp không khí đệm mỏng tồn tại ngay bên trên

bề mặt n‡ớc, nó ấm v ẩm hơn so với không

khí bên trên Nếu một khối không khí lạnh bất

ngờ đi qua trên hồ ấm, thì lớp không khí đệm

ấm, ẩm xáo trộn với lớp không khí lạnh nằm

bị hạ thấp tới điểm s‡ơng Có một số cách để xảy ra sự lạnh đi nh‡ vậy, nh‡ng đòi hỏi phải giải thích nhiều hơn nh‡ chúng ta sẽ thấy sau trong ch‡ơng ny Bây giờ chúng ta chỉ đơn giản nhận xét rằng cơ chế thứ ba, sự lạnh đi của khí quyển, l quá trình quan trọng nhất để hình thnh mây

Các hiệu ứng của độ cong v† dung dịch

Ch‡ơng ny đã mở đầu bằng một thí nghiệm giả định, trong đó n‡ớc ở trong bình duy trì cân bằng giữa ng‡ng tụ v bay hơi Thí nghiệm đã giả thiết n‡ớc tinh khiết với một bề mặt phẳng để lm cơ sở tìm hiểu về sự bão hòa Nh‡ng khí t‡ợnghọc nghiên cứu khí quyển - không phải nh‡ trong các bình giả định Trong khí quyển thực, chúng ta tiếp xúc với tốc độ bay hơi v ng‡ng tụ qua những bề mặt có những giọt s‡ơng v mây ở dạng lơ lửng Những giọt đó không phải l phẳng, mcũng không phải tạo thnh từ H2O tinh khiết Do đó, chúng ta sẽ mở rộng việc bnluận về sự bốc hơi, ng‡ng tụ v sự cân bằng để tính tới những hiệu ứng của độ cong

v sự không tinh khiết của các giọt mây v s‡ơng

Hiệu ứng của độ cong

Những giọt n‡ớc tồn tại trong tự nhiên không phải l những hình lập ph‡ơngnhỏ li ti với những mặt bên phẳng Hãy so sánh hai giọt biểu diễn trên hình 5.9 Giọt ở bên trái lớn hơn nhiều so với giọt ở bên phải v do đó có độ cong bé hơn Chúng ta thậm chí có thể xét một ví dụ thái cực hơn - chính Trái Đất Đa số chúng

ta bây giờ biết rằng hnh tinh không phẳng m hình cầu Tuy nhiên, do Trái Đất có kích th‡ớc lớn, độ cong của nó không thể hiện rõ v một xăngtimét khoảng cách trên bề mặt của nó có thể l một đ‡ờng thẳng Ngoi ra, một cái th‡ớc cạnh thẳng

có thể nằm thẳng trên bề mặt của nó Nh‡ng nếu áp một cái th‡ớc vo một quả bóng bn thì chỉ một phần nhỏ của th‡ớc tiếp xúc với bề mặt quả bóng; quả bóng có

độ cong lớn hơn so với Trái Đất

Hình 5.9 Hạt lớn có độ cong nhỏ hơn so với hạt bé hơn

Dĩ nhiên, các giọt mây nhỏ hơn rất nhiều so với những quả bóng bn, nên nó có

độ cong lớn hơn nữa Nh‡ng độ cong có liên quan gì tới sự bão hòa? Câu trả lời l:

độ cong có một hiệu ứng tới sự bốc hơi từ bề mặt của giọt mây v do đó tới áp suất

hơi cần thiết để bão hòa Nói đơn giản, những hiệu ứng nảy sinh từ sức căng bề mặt dẫn tới những khác nhau về điểm bão hòa Đồ thị áp suất hơi bão hòa phụ thuộc nhiệt độ nh‡ trên hình 5.3 chỉ áp dụng cho các bề mặt phẳng của H2O tinh khiết

Đối với những bề mặt n‡ớc cong, tốc độ bay hơi lớn hơn Tốc độ bay hơi gia tăng đòi hỏi ng‡ng tụ cũng phải tăng lên để hai quá trình cân bằng Do đó, một giọt n‡ớctinh khiết độ cong lớn tại nhiệt độ đã cho no đó có một áp suất hơi bão hòa cao hơn

so với nh‡ đã chỉ ra trên hình 5.3 Nói cách khác, các giọt n‡ớc tinh khiết độ cong lớn đòi hỏi độ ẩm t‡ơng đối lớn hơn 100 % để giữ cho chúng không bay hơi

Hình 5.10 minh họa hiệu ứng của kích th‡ớc giọt tới độ ẩm t‡ơng đối cần thiết

để duy trì một giọt n‡ớc tinh khiết tồn tại Đối với những giọt rất nhỏ (với bán kính khoảng 0,1μm), độ ẩm t‡ơng đối d‡ bằng 300% cần để đạt sự cân bằng giữa bay hơi

v ng‡ng tụ Nói cách khác, những giọt đó đòi hỏi một mức siêu bão hòa 200% Mức

siêu bão hòa cần thiết để duy trì một giọt giảm rất nhanh khi kích th‡ớc giọt tăng lên Những giọt với bán kính lớn hơn 1,0μm đòi hỏi mức siêu bão hòa chỉ bằng khoảng 10%

Hình 5.10 Các hạt n~ớc tinh khiết nhỏ đòi hỏi độ ẩm t~ơng đối trên 100% để duy trì cân bằng

Nếu nh‡ khí quyển không có các hạt son khí, thì sự ng‡ng tụ diễn ra chỉ bởi sự

kết nhân đồng nhất, trong đó các giọt hình thnh bằng sự va chạm ngẫu nhiên vgắn kết của các phân tử hơi n‡ớc trong những điều kiện siêu bão hòa Những giọt

nh‡ thế chắc chắn sẽ chỉ có một số l‡ợng phân tử ít ỏi v độ cong lớn, v do đó chỉ tồn tại ở mức siêu bão hòa cao Quá trình ny nếu có xảy ra thì cũng rất hiếm, bởi vì các hạt son khí hấp dẫn noớc (hút n‡ớc) trong khí quyển kích thích sự hình

thnh các giọt tại những độ ẩm t‡ơng đối thấp hơn nhiều d‡ới mức cần thiết đối với

sự kết nhân đồng nhất Sự hình thnh các giọt n‡ớc trên những hạt hút n‡ớc đ‡ợcgọi l sự kết nhân đa nguyên, còn những hạt m trên đó hình thnh các giọt đ‡ợc

gọi l nhân ngong kết Khi ng‡ng tụ xảy ra, các nhân ng‡ng kết hòa tan vo trong

n‡ớc để tạo thnh dung dịch.

Hiệu ứng của dung dịch

Khi các chất bị hòa tan trong n‡ớc, một số nhất định các phân tử ở bề mặt lnhững phân tử của chất tan (chất bị hòa tan trong n‡ớc) chứ không phải l các phân tử n‡ớc Với số l‡ợng phân tử n‡ớc ít hơn tồn tại ở bề mặt, tốc độ bay hơi thấp hơn so với n‡ớc tinh khiết Kết quả l các dung dịch đòi hỏi ít hơi n‡ớc hơn ở bên trên bề mặt để duy trì cân bằng giữa bay hơi v ng‡ng tụ so với tr‡ờng hợp n‡ớctinh khiết

Nếu nh‡ ng‡ng tụ trong khí quyển xảy ra bởi sự kết nhân đồng nhất, thì các giọt mới hình thnh sẽ cấu tạo từ n‡ớc tinh khiết Nh‡ng chúng ta đã thấy rằng trong thực tế các giọt thực sự hình thnh bởi sự kết nhân đa nguyên v sự kết hợp các nhân vo trong dung dịch n‡ớc Điều ny có hiệu ứng ng‡ợc lại độ cong giọt, lm hạ thấp l‡ợng hơi n‡ớc cần thiết để giữ cho các giọt cân bằng Trong phần lớn các tình huống, hiệu ứng dung dịch ny gần bằng hiệu ứng của độ cong giọt v sự ng‡ng tụ th‡ờng xảy ra tại những độ ẩm t‡ơng đối gần bằng hoặc thấp hơn 100% một chút

Mặc dù tỉ phần các son khí trong không khí có tác dụng hút n‡ớc nhỏ, khí quyển chứa rất nhiều các phần tử lơ lửng nên bao giờ cũng phong phú các nhân

ng‡ng tụ Một số chất có tính hút n‡ớc cao hơn một số khác, các son khí lớn th‡ờnghiệu quả hơn các son khí bé Một số son khí thậm chí có khả năng hấp dẫn n‡ớc tại những độ ẩm t‡ơng đối d‡ới 90% v tạo thnh các giọt cực nhỏ Khói (haze) chính l những giọt nh‡ vậy

Cho tới rất gần đây ng‡ời ta cho rằng phần lớn nhân ng‡ng kết trong khí quyển có nguồn gốc tự nhiên, gồm chủ yếu l bụi, muối biển v son khí sinh ra từ phun núi lửa, cháy tự nhiên v các chất khí do động vật phù du thải ra Những nghiên cứu tiến hnh trong những năm chín m‡ơi cho thấy rằng vai trò của hoạt

động con ng‡ời đã bị đánh giá thiên thấp v các nguồn nhân sinh có thể l những

l‡ợng chính nhân ng‡ng kết trên những khu vực công nghiệp hóa ở Bắc bán cầu

ảnh h‡ởng của hoạt động con ng‡ời tới nồng độ son khí thậm chí mở rộng tới các vùng đại d‡ơng ở Bác bán cầu ở Nam bán cầu, ảnh h‡ởng của con ng‡ời ít hơn rất nhiều v chủ yếu liên quan với những khu vực hoạt động công nghiệp lớn v th‡ờng xuyên đốt nhiên liệu Mặc dù các phần tử muối có tính hút n‡ớc rất cao, nh‡ng ít gặp trên lục địa so với trên đại d‡ơng Do đó, trên lục địa các phần tử muối lnhững nhân rất lớn trong số các ng‡ng kết mây, nh‡ng chúng t‡ơng đối hiếm hoi

so với những vật liệu khác

Các nhân băng

Đến nay chúng ta đã xét sự hình thnh các giọt n‡ớc lỏng khi không khí trở nên bão hòa Nh‡ng sự bão hòa có thể xảy ra tại những nhiệt độ rất thấp, tại đó không phải l các giọt n‡ớc lỏng, m l những tinh thể băng có thể hình thnh Mặt khác, nhiều ng‡ời trong chúng ta đã gặp s‡ơng mù cấu tạo từ các giọt lỏng mặc dù nhiệt độ thấp hơn 0oc Vậy cái gì thực sự xảy ra khi sự ng‡ng tự diễn ra tại những nhiệt độ thấp hơn điểm đóng băng? Điều đó có dẫn đến ng‡ng tụ của các giọt lỏng

hay sự kết lắng các tinh thể băng? Câu trả lời l còn tùy Thật kì lạ, mặc dù băng luôn tan tại 0oC, nh‡ng n‡ớc trong khí quyển th‡ờng không đóng băng tại 0oC.Nếu nh‡ bão hòa xuất hiện tại nhyiệt độ giữa 0 v -4oC thì l‡ợng hơi n‡ớc d‡luôn ng‡ng tụ để tạo thnh n€ớc siêu lạnh (n‡ớc có nhiệt độ thấp hơn điểm đóng

băng nh‡ng vẫn tồn tại ở trạng thái lỏng) Băng không tạo thnh trong phạm vi dải nhiệt độ ny Giống nh‡ sự hình thnh các giọt lỏng tại những độ ẩm t‡ơng đối gần 100% đòi hỏi sự có mặt của các nhân ng‡ng kết, sự hình thnh các tinh thể băng tại những nhiệt độ gần 0oC đòi hỏi các nhân băng Khác với các nhân ng‡ng kết, chúng luôn luôn có nhiều, các nhân băng hiếm có trong khí quyển, bởi vì giống nh‡băng, chúng phải có cấu trúc sáu mặt (mặc dù có những ngoại lệ với quy tắc ny).Khả năng một vật chất tác động nh‡ một nhân băng phụ thuộc vo nhiệt độ vkhông có vật liệu no hiệu quả tại những nhiệt độ trên -4oC Mặc dù băng có thể tồn tại ở những nhiệt độ giữa -4oC v 0oC, nh‡ng nó không hình thnh ngay trong khí quyển ở dải nhiệt độ đó (Trong thực tế có một ít băng trong khí quyển tại những nhiệt độ trên -10oC) Vậy giữa -4oC v 0oC, hơi n‡ớc bị mất chỉ bởi sự ng‡ng

tụ n‡ớc siêu lạnh

Khi nhiệt độ giảm, xác suất hình thnh băng tăng lên v tại những nhiệt độ giữa khoảng -10oC v -40oC sự bão hòa có thể dẫn tới kết nhân tinh thể băng, các giọt siêu lạnh hoặc cả hai Mây có nhiệt độ trong dải ny th‡ờng sẽ có các giọt lỏng v tinh thể rắn cùng tồn tại, nh‡ng với tỉ phần băng lớn hơn tại những nhiệt độ thấp hơn Tại những nhiệt độ d‡ới -30oC mây sẽ chủ yếu l những tinh thể băng Với những nhiệt độ thấp hơn 40oC sự bão hòa dẫn tới hình thnh ton các tinh thể băng, có hay không có các nhân băng Nh‡ chúng ta sẽ thấy ở ch‡ơng 7, sự cùng tồn tại của các tinh thể băng v giọt lỏng trong mây rất quan trọng đối với sự phát triển giáng thủy ở bên ngoi vùng nhiệt đới

Trong số những vật liệu có thể dùng lm nhân băng có các hợp phần của đất tự nhiên gọi l đất sét Các vật liệu sét có cấu trúc phẳng, kích th‡ớc vi mô v hấp dẫn

điện mạnh Những đặc điểm đó lm cho chúng rất khó bị bứt khỏi bề mặt v gia nhập vo khí quyển, đó l lý do vì sao chúng rất hiếm Sét xuất hiện trong rất nhiều tổ hợp, hiệu quả nhất trong số đó có lẽ l kaolinite (silicate nhôm) Có các loại sét khác có thể dùng lm nhân băng , nh‡ng chúng chỉ phát huy ở những nhiệt độ thấp hơn

Đáng tiếc, các nh vật lý mây rất khó có đ‡ợc nhiều thông tin về những nguồn nhân băng bởi vì chúng th‡ờng có kích th‡ớc bé v hiếm về số l‡ợng Tuy nhiên, các quan trắc cho thấy rằng có một số tinh thể băng chứa lm thnh một nhân băng ngoại lai Điều ny dẫn tới ý t‡ởng rằng các tinh thể băng tự nó có thể l những nhân băng rất quan trọng Theo mô hình ny, những tinh thể băng đang tồn tại bị

vỡ thnh những mảnh nhỏ bé rồi sau đó tác động nh‡ những nhân đối với những tinh thể mới Những vật liệu khác m các nh vật lý mây xem l các nhân băng tiềm năng gồm các mảnh lá cây phân hủy, vật liệu núi lửa v thậm chí một số vi khuẩn

Quan trắc độ ẩm

Xét thấy một thực tế hơi n‡ớc l một chất khí không nhìn thấy xáo trộn cùng với tất cả các chất khí khác của khí quyển, bạn có thể nghi ngờ rằng quan trắc nó phải có một số dụng cụ rất phức tạp Không phải nh‡ vậy Dụng cụ đơn giản nhất

v dùng rộng rải nhất để đo độ ẩm, ẩm kế cặp (sling psychrometer) (hình 5.11a)

cấu tạo từ một cặp nhiệt kế, một trong đó có một mảnh vải bông quấn quanh bầu

đ‡ợc thấm n‡ớc Nhiệt kế kia không có vải bao nh‡ vậy v chỉ để đo nhiệt độ không khí Hai nhiệt kế, tuần tự đ‡ợc gọi l nhiệt kế €ớt v nhiệt kế khô, đ‡ợc gắn vomột giá đỡ có trục xoay cho phép chúng đ‡ợc thông khí bởi không khí xung quanh Nếu không khí không bão hòa, n‡ớc bay hơi từ nhiệt kế ‡ớt, nhiệt độ của nó giảm vì nhiệt ẩn bị tiêu thụ Sau khoảng một phút thông khí, l‡ợng nhiệt mất do bay hơi

đ‡ợc bù trừ bằng l‡ợng nhập nhiệt hiện từ không khí ấm xung quanh v sự lạnh đi ngừng lại Từ đó nhiệt kế ‡ớt duy trì một nhiệt độ không đổi bất chấp dụng cụ xoay bao lâu

Bảng 5.1 Các điểm s~ơng

Độ giảm bầu oớt ( o C) = nhiệt độ bầu khô trừ nhiệt độ bầu oớt Bầu khô

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 -20 -33