Các quá trình vi vật lý trong mây

Quá trình tinh thể hóa Hạt nhân tạo băng là các phần tử lơ lửng trong không khí mà các phần tửnước ở dạng nước siêu lạnh hoặc hơi nước chuyển đổi thành tinh thể băng trên bề mặt của chún

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-000 -CÁC QUÁ TRÌNH VI VẬT LÝ TRONG MÂY

Người hướng dẫn: PGS.TS NGUYỄN HƯỚNG ĐIỀN

Người thực hiện:

Hà Nội 7/2006

Giới thiệu:

Hiện nay, khi mà việc giải các bài toán số trị được thực hiện trên các

hệ máy tính hiện đại thì việc phản ánh được các quá trình quy mô nhỏ đóngvai trò rất quan trọng

Trong khi đó, độ phân giải của mô hình toàn cầu và khu vực rất lớn.Chẳng hạn:

Đối với mô hình toàn cầu:

Mưa (mây) là nhân tố rất quan trọng của dự báo khí tượng Viêc phảnánh và mô phỏng tốt các quá trình vi vật lý trong mây là cơ sở cho việc dựbáo tốt mưa về cả lượng và diện

Cho tới nay, có rất nhiều công trình nghiên cứu về mây và các quá trình

vi vật lý trong mây Trên cơ sở đó, tùy vào mục đích sử dụng, chúng đượcphát triển theo các khuynh hướng khắc nhau Ví dụ, nghiên cứu và cảnh báosét, nghiên cứu phổ kích thước hạt mây, nghiên cứu các đặc trưng mây vànghiên cứu để làm mưa nhân tạo

Loại trừ nghiên cứu và cảnh báo sét, các nghiên cứu khác đều chia mâythành mây ấm, mây lạnh và mây hỗn hợp

Với mục đích nghiên cứu và học hỏi, trong tiểu luận môn học Khí

tượng Vật lý, tôi chọn đề tài: “Các quá tình vi vật lý trong mây”.

Nội dung gồm 2 phần:

 Các quá trình vi vật lý trong mây siêu lạnh

 Các quá trình vi vật lý trong mây ấm

Phần 1: Các quá trình vi vật lý trong mây siêu lạnh

I Định nghĩa mây siêu lạnh

Mây siêu lạnh là mây hoặc phần mây có nhiệt độ nhỏ hơn 00C Xemxét các quá trình vật lý xảy ra trong mây siêu lạnh là xem xét quá trình vi vật lýxảy ra trong vùng mây có nhiệt độ nhỏ hơn 00C

Hình 1 Các pha của mây theo nhiệt độ

Thông thường, nước đóng băng ở nhiệt độ 00C Tuy nhiên, trong cácđám mây tự nhiên, nước có thể tồn tại dưới dạng nước siêu lạnh mà không bịđóng băng mặc dù nhiệt độ có thể giảm xuống dưới 00C rất nhiều Theo thám sátcho thấy, ở -100C, tỷ lệ giữa số phần tử băng trên số phần tử nước siêu lạnh là1/1000000 ở -200C, tỷ lệ giữa số phần tử băng và số phần tử nước siêu lạnh làdưới 50% Khi nhiệt độ xuống đến -400C thì trong mây chứa toàn bộ là tinh thểbăng

II Các quá trình vi vật lý trong mây siêu lạnh

2.1 Quá trình tinh thể hóa

Hạt nhân tạo băng là các phần tử lơ lửng trong không khí mà các phần tửnước ở dạng nước siêu lạnh hoặc hơi nước chuyển đổi thành tinh thể băng trên

bề mặt của chúng Không phải tất cả mà chỉ một phần nhỏ các hạt nhân ngưngkết là hạt nhân tạo băng, phụ thuộc vào bản chất hoá học của các phần tử lơlửng, nhiệt độ và độ ẩm của vùng mây Hạt nhân ngưng kết có cơ hội tốt hơn đểtrở thành hạt nhân tạo băng khi nhiệt độ giảm và độ ẩm tăng Thực tế, các hạtnhân tạo băng không hoạt động khi nhiệt độ ấm hơn -40C ngay cả trong vùngmây bão hoà Theo nghiên cứu, các nhân tạo băng hoạt động ở những nhiệt độkhác nhau đối với các chất khác nhau Sau đây là một số nhân tạo băng với nhiệt

độ hoạt động của chúng:

•Iốt bạc (AgI) : -40C

•Đồng sunfua (CuS2): -70C

•Natri clorua (NaCl): -80C

•Bụi núi lửa: -130C

•Đất sét: -150C

Để các tinh thể băng được hình thành trong mây, các phân tử nước dướidạng hơi nước và giọt nước mây cần phải có nhân băng để bắt đầu quá trình tinhthể hoá Quá trình ban đầu hoá tinh thể băng có thể xảy ra bởi 2 quá trình tạonhân băng đồng nhất và nhân băng không đồng nhất

- Quá trình tạo nhân băng đồng nhất là quá trình các hạt nước siêu lạnhbắt đầu đóng băng thành các phần tử tinh thể băng khi chúng ở trong vùngmây có nhiệt độ rất lạnh và không có mặt của nhân tạo băng Nhân đồng nhấtxuất hiện khi các phân tử nước ở dạng các giọt nước đủ lạnh để có thể bắt đầu

hình thành cấu trúc băng, và được gọi là phôi băng (ice embryos )

Nhiệt độ để có thể xuất hiện nhân băng đồng nhất là gần -400C Các giọtnước càng nhỏ thì nhiệt độ để xảy ra quá trình đóng băng tạo thành các tinhthể băng càng thấp Các nghiên cứu trong phòng thí nghiệm chỉ ra rằng, đốivới các giọt có kích thước khoảng 5µm thì nhiệt độ cần cho nó đóng băng là

khoảng -400C, trong khi những hạt lớn hơn khoảng 25 µm thì cần nhiệt độ

vào khoảng -360C

- Quá trình tạo nhân băng không đồng nhất là quá trình chiếm ưu thếtrong quá trình ban đầu hoá tinh thể băng trong khí quyển Quá trình này xảy

ra khi trong mây có mặt của nhân tạo băng, trong điều kiện bão hoà hơi nước

và môi trường gần với quá trình đóng băng Có 3 kiểu tạo nhân không đồngnhất

•Quá trình ngưng hoa: quá trình hơi nước ngưng kết trực tiếp thành băngtrên bề mặt của nhân tạo băng, bỏ qua trạng thái lỏng

•Quá trình đóng băng: là quá trình các hạt nước siêu lạnh có bên trongcác hạt nhân tạo băng (IN) bắt đầu đóng băng

•Quá trình tiếp xúc (contact): là quá trình hạt nhân tạo băng bắt đầu hìnhthành tinh thể băng khi tiếp xúc với các giọt nước siêu lạnh

2.2 Sự lớn lên của các tinh thể băng: khi tinh thể băng hình thành chúng

có thể lớn lên theo các cơ chế sau:

2.2.1 Sự lớn lên của tinh thể băng bởi quá trình ngưng hoa khuếch tán

Quá trình này xảy ra do sự khác biệt về áp suất bão hoà hơi nước trênmặt băng và nước lỏng ở một nhiệt độ nhất định, áp suất hơi nước trên bềmặt nước lớn hơn trên mặt băng Trong vùng độ ẩm tương đối đạt 100% đốivới nước, tồn tại cả hạt nước và tinh thể băng, thì do có sự khác biệt về ápsuất hơi nước giữa các giọt nước và tinh thể băng, dẫn đến hơi nước khuếchtán từ nơi áp suất cao xung quanh giọt nước đến nơi áp suất thấp xung quanhtinh thể băng Vì vậy, các tinh thể băng sẽ lớn lên Quá trình này làm cho độ

ẩm của không khí xung quanh hạt nước siêu lạnh nhỏ hơn 100%, và các giọtnước phải bốc hơi để giữ trạng thái bão hoà hơi nước, làm tăng thêm hơi nướccho quá trình ngưng hoa Ví dụ, một khối băng có dạng hình cầu với đườngkính 10µm ở nhiệt độ -150C sẽ lớn thành đường kính 250µm trong thời gian

nhỏ hơn 10 phút Bằng cách đó, các tinh thể băng lớn lên nhanh chóng bởi cảhai quá trình ngưng hoa hơi nước trên mặt băng và quá trình bốc hơi trên mặtnước siêu lạnh Cuối cùng, vùng nước siêu lạnh giảm, và mây trở thành tinhthể hoá

Hình 2 Sự phụ thuộc hơi nước vào nhiệt độ

Tốc độ lớn lên của tinh thể băng phụ thuộc chủ yếu vào nhiệt độ và độ

ẩm Nhiệt độ trong mây càng thấp thì quá trình chuyển đổi thành băng và quátrình lớn lên của băng xảy ra với tốc độ nhanh hơn Tốc độ khuếch tán hơinước là lớn nhất khi gradien áp suất hơi nước bão hoà giữa băng và nước siêulạnh là lớn nhất Tốc độ khuếch tán lớn nhất xảy ra ở gần nhiệt độ -150C

Sự lớn lên của tinh thể băng bởi quá trình ngưng hoa đóng vai trò quantrọng trong gian đoạn đầu hình thành tinh thể băng khi các hạt tinh thể băng

có kích thước nhỏ, còn khi các tinh thể băng đã đủ lớn để bắt đầu rơi thì cơ

chế lớn lên của tinh thể băng bởi quá trình ngưng hoa không còn chiếm ưu thếnữa.

2.2.2 Sự lớn lên của tinh thể băng bởi quá trình gộp (accretion)

Quá trình accretion (riming) là quá

trình các hạt băng có thể lớn lên khi hạt

nước nhỏ rơi vào hạt băng lớn Khi các hạt

băng đủ lớn, chúng bắt đầu rơi xuống

Trong quá trình rơi, các hạt băng có thể thu

nạp các hạt nước siêu lạnh khi các hạt

nước siêu lạnh tiếp xúc với bề mặt hạt

băng Các hạt nước siêu lạnh bị đóng băng

ngay lập tức và bám vào tinh thể băng, làm

các hạt tinh thể băng lớn lên Quá trình này được giới hạn trong lớp bão hoàhơi nước với nhiệt độ từ 0 đến -100C Tuỳ thuộc vào tốc gió, tốc độ dòngthăng trong đám mây và tốc độ rơi của hạt băng mà sản phẩm tạo ra là tuyết,graupel, hay hạt mưa đá

Khi tinh thể băng lớn lên

bởi quá trình accretion, sự đóng

băng nhanh của hạt nước siêu

lạnh có thể dẫn đến các hạt

băng bị vỡ ra thành các hạt tinh

thể băng nhỏ, gọi là quá trình

vỡ vụn (splintering), tạo thành

nguồn nhân tạo băng thứ cấp

Điều này làm quá trình

accretion xảy ra nhanh hơn và

dẫn đến quá trình tinh thể hoá đám mây

Trong khi quá trình ngưng hoa chiếm ưu thế trong quá trình hình thành

và lớn lên của tinh thể băng ở phần trên và giữa đám mây thì quá trìnhaccretion chiếm ưu thế ở phần dưới của đám mây Nghĩa là cơ chế lớn lên củatinh thể băng chủ yếu là do quá trình accretion

2.2.3 Sự lớn lên của tinh thể băng bởi quá trình thu nạp (aggregation) Quá trình thu nạp (aggregation) là quá trình các hạt tinh thể băng nhỏ

gộp lại với nhau tạo thành các hạt tinh thể băng có kích thước lớn hơn Khicác tinh thể băng trong quá trình rơi có thể va chạm vào nhau, chúng có thể

Hình 3 Quá trình Riming

Hình 4 Bông tuyết hình thành do quá

trình Riming

dính vào nhau tạo thành các hạt băng lớn hơn, chủ yếu là các hạt bông tuyết.Các phân tử nước ở bên ngoài bề mặt các tinh thể băng làm tăng sự liên kếtgiữa các hạt tinh thể băng với nhau Khi các tinh thể băng rơi vào vùng mây

ấm hơn, sẽ có nhiều phân tử nước bên ngoài các hạt băng hơn, dẫn đến quátrình dính kết xảy ra mạnh mẽ hơn và có thể tạo thành các hạt bông tuyết lớnhơn Sự dính kết xảy ra lớn nhất ở vùng gần mực 00C Hình dưới đây chỉ rarằng các hạt bông tuyết lớn nhất xảy ra ở nhiệt độ gần 00C

Hình 5 Sự phụ thuộc của đường kính lớn nhất của các hạt

bông tuyết vào nhiệt độ

Các tinh thể băng ở dạng hình cây cũng có thể đan vào nhau tạo thànhtinh thể băng lớn hơn (larger aggregates) như hình bên

Hình 6 Đan xen của các tinh

siêu lạnh hoặc va chạm vào các giọt nước siêu lạnh có kích thước lớn, gâynên quá trình đóng băng của giọt nước siêu lạnh xung quanh hạt băng.

Hình 7 Quá trình đóng băng

2.3 Sự hình thành mưa do quá trình tan băng

Rất nhiều trường hợp giáng thuỷ bắt đầu đạt tới đất thông qua quá trìnhtan băng khi các hạt bông tuyết, graupel, hoặc các hạt mưa đá rơi vào vùngmây có nhiệt độ lớn hơn 00C

Điều đáng lưu ý rằng, các bông tuyết ẩm ở gần mực 00C kết hợp vớinhau tạo thành các khối lớn Các giọt mưa tạo thành từ sự tan băng có kíchthước lớn hơn so với các hạt tạo thành do quá trình liên kết (Gillespie-List vàcác cộng sự -1976) Các kết quả nghiên quan trắc bằng Radar ở vùng Illinoischỉ ra rằng, các giọt mưa tạo thành do các bông tuyết tan rơi trong khoảng 1

Km trước khi chúng bị vỡ ra do va chạm và tạo thành các giọt nước mới doliên kết các các mảnh vỡ được phân bố theo quy luật hàm mũ Các giọt nướcđược tạo thành do quá trình tan băng cũng sẽ được lớn lên do quá trình vachạm và liên kết với các giọt nước tồn tại trong mây

2.4.Sự lớn lên của các hạt mưa đá

Các hạt mưa đá có thể được tạo thành do quá trình gộp (accretion)

trong khu vực có dòng thăng vượt quá 10m / s và có lượng nước mây siêulạnh lớn Quá trình gộp liên tục trên hạt bông tuyết (snowflakes) tạo thành cáchạt tuyết lớn hình cầu (spherical snow pellets), các hạt graupel, và cuối cùng

là tạo thành hạt mưa đá khi có sự tập trung lượng nước lớn Mức độ tập trungcủa các hạt thuỷ khí có thể nhỏ hơn 0.2mg / m3 đối với sự tạo thành các hạt

tuyết hình cầu, nhưng có thể lên tới 0.9mg / m3 đối với hạt mưa đá Theo quyước, các hạt băng có đường kính vượt quá 5mm được gọi là hạt mưa đá

2.5 Sự phụ thuộc của tinh thể băng vào nhiệt độ:

Các dạng tinh thể được tạo thành trong quá trình lớn lên của tinh thểbăng được xác định bởi nhiệt độ và sự khác biệt giữa áp suất bão hoà hơinước giữa băng và nước siêu lạnh Chúng thay đổi theo nhiệt độ trong điềukiện bão hoà hơi nước đối với nước lỏng

Tuỳ thuộc vào nhiệt độ, các tinh thể băng được tạo thành có các dạngnhư sau:

Nhiệt độ (0C) Các dạng tinh thể băng

0 đến -4 Dạng phiến mỏng (thin plate)

-3 đến -6 Tinh thể hình kim (needles)

-22 đến -40

Dạng cột đặc (solid columns)Dạng cột rỗng a(hollow columns)bullet rosette

Phần 2 : Quá trình mưa và các quá trình vi vật lý trong mây ấm.

I Định nghĩa

Mây ấm là mây có nhiệt độ cao hơn 0oC Trong mây ấm, sự hình thànhcủa mưa phụ thuộc vào những giọt mây nhỏ xíu riêng lẻ (mà bản thân chúngthì quá nhỏ không thể rơi qua đám mây), chúng lớn lên do quá trình va trạm

và liên kết, như vậy chúng dần dần trở lên đủ nặng để có thể thắng được dòngthăng và rơi từ chân của đám mây

Trong những đám mây stratus (St) và stratocumulus (Sc), những đámmây này thì khá mỏng do đó mưa từ những đám mây này không phổ biến trừkhi sự hỗn loạn bên trong đám mây dẫn đến tăng cường sự va chạm và thuhút/liên kết giữa những giọt nhỏ có kích thước khác nhau, dù vậy không khí ởdưới đám mây phải đủ ẩm để cho phép mưa hoặc mưa phùn đạt đến mặt đất

mà không có sự bay hơi Hàm lượng nước bên trong đám mây cũng phải caohoặc sự bay hơi trong đám mây sẽ được bù lại bởi sự phát triển của các hạtlớn

Hình 8 Khu vực hình thành mây ấm

Đôi khi, đặc biệt trong những đám mây Sc ở trên biển, sự bất ổn địnhgây ra sự tăng cường những chuyển động thẳng đứng (và bởi vậy tăng cường

khả năng tăng trưởng do sự va chạm và liên kết) và khi đó thì mưa được hìnhthành dễ dàng hơn.

II Các quá trình vi vật lý trong mây ấm

2.1 Quá trình mưa.

+ Quá trình mưa xảy ra theo một chuỗi các sự kiện

Hình 9 Sơ đồ minh hoạ chuỗi quá trình mưa

Chuỗi quá trình mưa minh hoạ sự nối tiếp các sự kiện, quá trình nàydẫn tới sự hình thành mưa trên mặt đất Những quá trình bên trong mỗi mắtxích hoặc những sự kiện thường xuất hiện trên những quy mô thời gian vàkhông gian khác nhau

2.2 Các quá trình vi vật lý trong mây.

Hình 10 Các quá trình vi vật lý trong mây

Sự hình thành và phát triển mưa xuất phát từ một số quá trình vật lý,bao gồm các quá trình vi vật lý khác nhau và các quá trình này xảy ra đồngthời nhưng với những tốc độ khác nhau, với một hướng chiếm ưu thế trongđiều kiện áp suất nhất định

Động lực học quy mô lớn và quy mô vừa xác định các đặc trưng củanhững hệ thống mây, các quá trình vi vật lý quy mô nhỏ xác định sự cấu tạohạt nhân và những đặc trưng tăng trưởng của những giọt nước và những hạtbăng của toàn bộ chuỗi các sự kiện trong quá trình phát triển mưa

2.2.1 Sự giải phóng hơi nước do làm lạnh

Mây được tạo thành ở khu vực không khí bị làm lạnh dưới điểm sương,

do bức xạ, bị xáo trộn với không khí có nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ khí quyểnhoặc là đối lưu trong khí quyển đi lên theo đường đoạn nhiệt Lượng hơi nước

có trong một thể tích không khí đưa ra cân bằng với bề mặt của nước tinhkhiết là hàm duy nhất của nhiệt độ Không khí chứa lượng hơi nước này gọi làkhông khí bão hoà Bởi vì hơi nước tuân theo theo định luật chất khí, do vậy

để thuận tiên người ta đưa ra các biến đặc trưng cho sự tồn tại của nó là ápsuất hơi nước e và trong trường hợp áp suất hơi nước bão hoà là e s (T) Trongnhiều trường hợp khác e s (T) còn được gọi là áp suất cân bằng hơi nước Bất

cứ lượng nước nào vượt quá lượng nước cho phép của áp suất hơi nước bãohoà đều là nguồn có khẳ năng để tạo thành nước mây Tốc độ tại đó hơi nướcđược biến đổi tạo thành các giọt mây bằng sự làm lạnh có thể được tính quaphương trình Clausius-Clapayron, phương trình liên hệ giữa áp suất hơi nướcbão hoà và nhiệt độ Kenvil:

L T R

L T

e T e

w

v w

v s

s

0

0 ) exp (

) ( (1)

trong đó L v là nhiệt chuyển pha của hơi nước, T0 ám chỉ nhệt độ cân bằng.Phương trình 1 có thể được sử dụng để tính áp suất trên mặt nước siêu lạnhcũng như áp suất trên mặt băng tan Trong trường hơp tan băng ta thay bằng

áp hơi nước trên mặt băng e i (T)và L s cho e s (T)và L v Trong trường hợplượng hơi nước ở nhiệt độ T vượt quá lượng hơi nước bão hoà, người ta đưa

ra đại lượng tỉ số bão hoà S

) (

; )

e S T

e

e S

i

i s

=

=

i

S tương ứng cho tỉ số bão hoà hơi nước trên mặt băng

Phương trình Clausius-Clapayron cho phép xác định phần không khí bịlàm lạnh chứa trong đó bao gồm: lượng hơi nước, sự tăng lên của không khí,

tỉ số bão hoà băng Trong môi trường siêu bão hoà S>1, chỉ ra giá trị hơinước vượt quá để tạo thành mây Tuy nhiên, để xác định tính chất của mâyđược tạo thành đòi hỏi phải xem xét các quá trình trình vi vật lý điều khiển sựhình thành và sự lớn lên của các hạt nước riêng lẻ Các quá trình này liênquan tới các nhân tố như sự phân bố hơi nước, sự dẫn nhiệt, sự giải phóng ẩnnhiệt, sự ảnh hưởng của tenxo bề mặt và sự hoà tan trong các hạt nước riêng

lẻ

2.2.2 ảnh hưởng của tenxo bề mặt:

Do ảnh hưởng của tenxo bề mặt, năng lượng được giữ trong bề mặt củacác giọt nước Năng lượng được giữ trong hạt có bán kính được tính theocông thức:

γ π

γ d2

Trong đó, γ hệ số sức căng bề mặt, giá trị của γ khoảng 0.075 j / m2

cho bề mặt ngăn cách giữa nước và không khí Lord Kelvin là người đầu tiênchỉ ra do tenxo bề mặt mà áp suất hơi nước quy định duy trì cân bằng của cáchạt nhỏ cân bằng với môi trường của nó là lơn hơn so với quy định duy trì cânbằng trên bề mặt đất của nước tinh khiết ở cùng một nhiệt độ áp suất hơinước bão hoà trên giọt nước tinh khiết đường kính d:

)

4 exp(

) (

,

Td R e

T e

w L s

2.2.3 Vai trò của chất hoà tan:

Xét phương trình 2, chúng ta thấy rằng: nếu d tiến đến 0 thì giá trị của

d

s

e , là không xác định Vì lý do này mà các phân tử đồng nhất của các giọt

nước tinh khiết từ trạng thái hơi nước đòi hỏi tỉ số bão hoà lớn Cũng chính vì

lý do này mà các đám mây tạo thành bình thường từ các phần tử không đồng