- Trang Chủ
- Địa Lý
- Nhập môn hoàn lưu khí quyển - ( ĐH Quốc Gia HN ) - Chương 10
Xem mẫu
- Ch−¬ng 10. KhÝ quyÓn cña c¸c hμnh tinh
& c¸c hÖ thèng chÊt láng vμ chÊt khÝ
kh¸c
10.1 C¸c ¶nh h−ëng chñ yÕu ®èi víi c¸c hoμn l−u hμnh tinh
Cho ®Õn gÇn ®©y, nghiªn cøu hoμn l−u toμn cÇu ®· ®−îc giíi h¹n trong hoμn l−u
cña mét hÖ thèng ®¬n, hoμn l−u khÝ quyÓn Tr¸i §Êt. Trong c¸c ch−¬ng trªn cña
chuyªn kh¶o nμy, chóng t«i còng ®· tËp trung chó ý vμo Tr¸i §Êt, minh ho¹ sù vËn
chuyÓn h−íng cùc vμ vËn chuyÓn lªn cao cña nhiÖt sinh ra ®éng n¨ng liªn quan nh−
thÕ nμo víi hoμn l−u khÝ quyÓn quan tr¾c ®−îc. Chóng t«i ®· m« t¶ mét sè cÊu tróc
trong ®ã dßng nhiÖt nμy cã thÓ tham gia vμo hoμn l−u bÊt ®èi xøng trôc cña vßng hoμn
l−u Hadley ë c¸c vÜ ®é thÊp vμ c¸c sãng bÊt æn ®Þnh tμ ¸p ë miÒn «n ®íi. C¸c qui luËt
nμy kh«ng chØ ®óng ®èi víi hÖ thèng Tr¸i §Êt. Trong ch−¬ng nμy, ta sÏ xem xÐt c¸c
vßng hoμn l−u vËn chuyÓn nhiÖt quan tr¾c ®−îc ®èi víi khÝ quyÓn cña Tr¸i §Êt cã ý
nghÜa tæng qu¸t nh− thÕ nμo, vμ c¸c vßng hoμn l−u nμy cã thÓ ®−îc biÕn ®æi nh− thÕ
nμo trong c¸c tr−êng hîp kh¸c nhau.
VÊn ®Ò nμy ®· ®−îc ®Þnh h×nh râ rμng h¬n trong h¬n 20 n¨m qua, khi trong
nghiªn cøu vÒ khÝ quyÓn hμnh tinh ®· cã nh÷ng thμnh tùu ®¸ng kÓ. Ngμy nay c¸c con
tμu vò trô ®· tõng ®Õn th¨m tÊt c¶ c¸c hμnh tinh cã khÝ quyÓn thuéc hÖ MÆt Trêi
ngo¹i trõ Sao Diªm V−¬ng, hμnh tinh nμy cã thÓ cã khÝ quyÓn. Trong tr−êng hîp Sao
Kim vμ Sao Ho¶, c¸c tham sè khÝ t−îng ®−îc ®o trùc tiÕp bæ sung thªm cho c¸c sè liÖu
®−îc ®o tõ xa th«ng th−êng. Trong nh÷ng n¨m tíi, chóng ta cã kÕ ho¹ch th¨m dß vμ
®o trùc tiÕp c¸c khÝ quyÓn kh¸c, bao gåm c¶ Sao Méc vμ hμnh tinh Titan. C¸c quan
tr¾c tõ Tr¸i §Êt vμ c¸c nghiªn cøu m« pháng trªn m¸y tÝnh ®· gióp ta gi¶i thÝch vμ
më réng c¸c th¸m s¸t nμy. B»ng c¸ch ®èi chiÕu vμ so s¸nh tr¹ng th¸i kh¸c nhau cña
khÝ quyÓn c¸c hμnh tinh, vÊn ®Ò ®ã ®· thùc sù chÝn muåi vμ trë nªn cã tÝnh khoa häc.
B¶ng 10.1 tæng kÕt c¸c yÕu tè vËt lý ®ã cña c¸c hμnh tinh víi mËt ®é khÝ quyÓn
phï hîp víi ®éng lùc häc cña c¸c hoμn l−u khÝ quyÓn cña chóng. Ta thÊy ë ®©y b¸n
kÝnh vμ mËt ®é cã kho¶ng biÕn ®éng rÊt réng, do ®ã gia tèc träng tr−êng bÒ mÆt còng
cã kho¶ng dao ®éng lín. Mét tham sè quan träng n÷a ®ã lμ tèc ®é quay ; tèc ®é nμy
cÇn ®−îc so s¸nh víi chu kú quü ®¹o S ®Ó ®¸nh gi¸ quy m« thêi gian cña c¸c hiÖu øng
mïa. Tæng l−îng bøc x¹ nhËn ®−îc tõ MÆt trêi tû lÖ nghÞch víi b×nh ph−¬ng kho¶ng
c¸ch tõ hμnh tinh ®Õn mÆt trêi. Do ®ã, nã thay ®æi nhiÒu h¬n so víi c¸c tham sè kh¸c
trong B¶ng 10.1.
B¶ng 10.1 C¸c ®Æc tÝnh vËt lý cña c¸c hµnh tinh cã khÝ quyÓn
(10-5s-1) S(n¨m)
a(106m) g(ms-2) S(Wm-2)
Hµnh tinh
Sao Kim (Venus) 6,05 8,60 2620 0,77 0,030 0,615
Tr¸i §Êt (Earth) 6,37 9,81 1370 0,29 7,29 1,00
- 281 -
- Sao Háa (Mars) 3,40 3,72 590 0,15 7,09 1,88
Sao Méc (Jupiter) 71,4 22,88 50,6 0,45 17,57 11,86
Sao Thæ (Saturn) 60,0 9,05 15,1 0,61 16,34 29,5
Sao Titan (Titan) 2,56 1,44 15,1 0,21 0,456 29,5
Sao Thiªn V−¬ng 26,15 7,77 3,72 0,37 11,26 84,0
(Uranus)
Sao H¶I V−¬ng 24,75 11,00 1,52 0,37 11,05 165
(Neptune)
Sao Diªm V−¬ng (1,5) (4,3) 0,88 (0,3) 1,14 2,48
(Pluto)
B¶ng 10.2 cho ta sè liÖu vÒ khèi l−îng, nhiÖt ®é vμ thμnh phÇn cña khÝ quyÓn.
Trong chuyªn kh¶o nμy, sÏ kh«ng th¶o luËn ®Õn tÝnh phøc t¹p vμ c¸c vÊn ®Ò ®¸ng
quan t©m vÒ cÊu t¹o ho¸ häc vμ sù t¹o thμnh cña khÝ quyÓn. T−¬ng tù, c¸c tÝnh chÊt
vËn chuyÓn bøc x¹ cña khÝ quyÓn còng kh«ng ®−îc th¶o luËn chi tiÕt, nh−ng sÏ ®−îc
coi nh− lμ nh©n tè nguån vμ trung t©m tiªu t¸n nhiÖt, chi phèi chuyÓn ®éng cña khÝ
quyÓn. ChØ cã c¸c chÊt xóc t¸c ®ãng gãp ®¸ng kÓ vμo träng l−îng ph©n tö trung b×nh
míi ®−îc liÖt kª trªn B¶ng 10.2. §ã kh«ng ph¶i lμ nh÷ng khÝ ho¹t ®éng bøc x¹ tÝch cùc
x¸c ®Þnh cÊu tróc nhiÖt. VÝ dô, CO2, h¬i n−íc, «zon lμ c¸c chÊt vËn chuyÓn bøc x¹ cña
khÝ quyÓn Tr¸i §Êt vμ nã bÞ thay ®æi ®¸ng kÓ bëi c¸c chÊt xóc t¸c nh− mªtan (CH4).
C¸c khÝ nμy nhá, chØ chiÕm kho¶ng h¬n 1% khèi l−îng khÝ quyÓn. KhÝ ¸p vμ nhiÖt ®é
bÒ mÆt trong khÝ quyÓn ®−îc cho ë n¬i cã thÓ. Trong tr−êng hîp khÝ quyÓn cã ®é dμy
lín nh− Sao Méc, Sao Thæ, Sao Thiªn V−¬ng vμ Sao H¶i V−¬ng, nhiÖt ®é vμ khÝ ¸p
®−îc cho t¹i c¸c ®Ønh m©y cã thÓ nh×n thÊy. H»ng sè thêi gian bøc x¹ E ®−îc −íc l−îng
cho mçi khÝ quyÓn b»ng c¸ch sö dông ph−¬ng tr×nh (3.11). Nã ®−îc tÝnh khi biÕt gi¸ trÞ
khÝ ¸p bÒ mÆt hay khÝ ¸p t¹i ®Ønh m©y vμ ng−îc l¹i. Tuy nhiªn, nÕu phÇn lín ¸nh
s¸ng mÆt trêi bÞ hÊp thô trong c¸c líp máng ë phÇn trªn khÝ quyÓn th× c¸c líp ho¹t
®éng bøc x¹ m¹nh cña khÝ quyÓn sÏ cã kh¶ n¨ng tÝch nhiÖt rÊt nhá vμ th−êng cã gi¸ trÞ
E nhá h¬n.
Ta cã thÓ thÊy hai nhãm hμnh tinh kh¸c biÖt nhau tõ hai B¶ng 10.1 vμ 10.2.
Nhãm thø nhÊt ®−îc gäi lμ “c¸c hμnh tinh kiÓu Tr¸i §Êt” gåm Sao Kim, Tr¸i §Êt vμ
Sao Ho¶. C¸c hμnh tinh nμy t−¬ng ®èi nhá, cã mËt ®é lín, víi c¸c líp ®¸ cøng vμ líp
phñ manti. KhÝ quyÓn cña chóng phÇn lín ®−îc cÊu t¹o bëi c¸c chÊt khÝ nÆng nh− CO2
hoÆc Nit¬. Nhãm thø hai gäi lμ c¸c hμnh tinh ‘khèi khÝ khæng lå’ gåm Sao Méc, Sao
Thæ, Sao Thiªn V−¬ng vμ Sao H¶i V−¬ng lμ c¸c hμnh tinh lín h¬n nhiÒu nh−ng mËt ®é
l¹i nhá h¬n. Chóng d−êng nh− kh«ng cã bÒ mÆt cøng, Ýt nhÊt lμ ®Õn tËn líp s©u bªn
trong hμnh tinh. C¸c thμnh phÇn khÝ quyÓn cña chóng còng t−¬ng tù so víi khÝ quyÓn
MÆt Trêi, víi l−îng hydro vμ helium rÊt lín vμ phÇn cßn l¹i nhá h¬n cã thμnh phÇn
phøc t¹p h¬n. Trõ Sao Thiªn v−¬ng, c¸c hμnh tinh khèi khÝ khæng lå ®Òu cã nguån néi
nhiÖt ®¸ng kÓ vμ ph¸t nguån nhiÖt bøc x¹ lín h¬n so víi l−îng nhiÖt chóng nhËn tõ
MÆt Trêi. Titan cã líp khÝ quyÓn t−¬ng tù ph−¬ng ¸n víi mét khÝ quyÓn l¹nh h¬n cña
- 282 -
- hμnh tinh kiÓu Tr¸i §Êt. §ã lμ mét hμnh tinh nhá cã mËt ®é trung b×nh vμ cã thÓ cÊu
t¹o bëi c¸c tinh thÓ b¨ng vμ mét sè d¹ng ®ãng b¨ng kh«ng æn ®Þnh kh¸c. KhÝ quyÓn
cña nèic mËt ®é lín vμ nÆng, chñ yÕu cÊu t¹o bëi Nit¬. Ta cßn Ýt biÕt ®Õn khÝ quyÓn
cña Sao Diªm V−¬ng (Pluto) mÆc dï nã lμ mét líp khÝ quyÓn máng ®−îc dù ®o¸n tõ sè
liÖu quang phæ. KhÝ quyÓn cña Sao Diªm V−¬ng cã thÓ lμ mét cÊu tróc t−¬ng tù nh−
hμnh tinh Titan, nh−ng ®ã lμ mét khÝ quyÓn máng h¬n vμ Ýt ho¹t ®éng h¬n.
B¶ng 10.2 C¸c ®Æc tÝnh cña khÝ quyÓn c¸c hµnh tinh
E(4)
R(1) PS(2) Ts(3)
Hµnh tinh C¸c thµnh phÇn khÝ
quyÓn chñ yÕu
Sao Kim (Venus) CO2(96%), N2(3%) 193 90 730 10,8
Tr¸i §Êt (Earth) N2(77%), 287 1 288 0,065
O2(21%),H2O(1%)
Sao Háa (Mars) CO2(95%), 192 0,007- 218 0,002
N2(3%),Ar(2%) 0,010
Sao Méc (Jupiter)(5) H2(90%),He(10%) 3779 0,42 125 3,15
Sao Thæ (Saturn)(5) H2(97%),He(3%) 4036 1,1 95 63,8
Sao Titan (Titan) N2(82-99%), Ar(0-12%), 280 1,8 92 7,87
CH4(1-6%)
Sao Thiªn V−¬ng H2(83%), He(15%), 3200 5 57 6,80
(Uranus)(5) CH4(2%)
Sao H¶i V−¬ng H2(83%), He(15%), 3200 1,5? 57 191
(Neptune)(5) CH4(2%)
10-5? 5 x 10-4
Sao Diªm V−¬ng CH4, N2? 16? 40
(Pluto)
(1)
§¬n vÞ Jkg-1K-1
(2)
§¬n vÞ 105Pa
(3)
§¬n vÞ K
(4)
§¬n vÞ n¨m Tr¸i §Êt
(5)
KhÝ ¸p bÒ mÆt t−¬ng øng víi ®Üa m©y chñ yÕu vμ nhiÖt ®é bøc x¹. Gi¸ trÞ t¨ng
®èi víi c¸c vËt thÓ xa h¬n.
Hoμn l−u khÝ quyÓn cña hμnh tinh ta ®· biÕt ®Òu cã mét ph¹m vi ho¹t ®éng riªng,
tuy nhiªn cã thÓ ®−a ra c¸c c¬ chÕ tæng qu¸t. C¸c c¬ chÕ ®ã ®−îc minh häa trªn H×nh
10.1, víi h×nh ¶nh c¸c mμn m©y cña Sao Kim, Tr¸i §Êt vμ Sao Méc. Sao Kim bÞ m©y
bao phñ hoμn toμn; trong ¸nh s¸ng tia cùc tÝm, c¸c ®Ønh m©y biÓu hiÖn lμ mét vïng tèi
d−êng nh− b¾t nguån tõ miÒn nhiÖt ®íi vμ h−íng vÒ c¸c cùc theo ®−êng xo¸y ch«n èc.
Mμn m©y bao phñ 30% bÒ mÆt Tr¸i §Êt. H×nh ¶nh cho ta thÊy mét d¶i ®èi l−u cã liªn
quan víi d¶i héi tô nhiÖt ®íi - ITCZ vμ kÕ cËn víi vïng phÝa d−íi cña nh¸nh ®i xuèng
- 283 -
- cña vßng hoμn l−u Hadley. C¸c mμn m©y xo¸y cã liªn quan víi vïng ¸p thÊp miÒn «n
®íi lμ c¸c vïng quan träng t¹i vÜ ®é cao. Sao Méc còng bÞ m©y bao phñ hoμn toμn, víi
c¸c vïng s¸ng cña m©y tÇng cao vμ c¸c vïng tèi h¬n cña mμn m©y dμy h¬n ë tÇng
thÊp. C¸c ®¸m m©y th−êng ®−îc s¾p xÕp thμnh d¶i n»m däc theo vÜ h−íng víi c¸c
nhiÔu ®éng phÇn lín lμ tøc thêi víi qui m« nhá. C¸c nhiÔu ®éng nμy th−êng cã cÊu
tróc h×nh oval hoÆc c¸c xo¸y rèi bÊt th−êng h¬n. C¸c d¶i m©y cho thÊy cã n¨m hay s¸u
dßng xiÕt trong ®íi giã t©y còng nh− trong ®íi giã ®«ng liªn quan víi d¶i m©y vÜ
h−íng.
TÊt nhiªn hoμn l−u Tr¸i §Êt ®−îc nghiªn cøu vμ hiÓu biÕt nhiÒu nhÊt. ViÖc gi¶i
thÝch c¸c hoμn l−u ®−îc quan tr¾c trªn phÇn lín c¸c hμnh tinh kh¸c cßn lμ vÊn ®Ò cÇn
bμn luËn rÊt nhiÒu. Gi¶i quyÕt vÊn ®Ò tranh c·i nμy ®ßi hái c¸c th¸m s¸t chi tiÕt h¬n,
®Æc biÖt lμ cÊu tróc th¼ng ®øng cña khÝ quyÓn cña c¸c hμnh tinh khÝ khæng lå. H¬n
n÷a, hoμn l−u khÝ quyÓn chÞu t¸c ®éng cña mét sè nh©n tè nh− thμnh phÇn ho¸ häc
kh«ng thÓ ®o trùc tiÕp. C¸c ®Æc tÝnh kh¸c cßn quan träng h¬n. C¸c nh©n tè c¬ b¶n chi
phèi c¬ chÕ hoμn l−u lμ:
(i) C−êng ®é vμ sù ph©n bè cña nguån nhiÖt vμ c¸c trung t©m tiªu t¸n nhiÖt.
Trong khi ®ã ta còng cÇn nhí r»ng b¶n th©n hoμn l−u cã thÓ hç trî tæ chøc vμ t¨ng
c−êng c¸c nguån vμ c¸c trung t©m tiªu t¸n nhiÖt. VÝ dô, ë miÒn nhiÖt ®íi cña Tr¸i §Êt
c¸c dßng héi tô mùc thÊp ®em Èm tíi, khëi ®Çu ®èi l−u Èm vμ gi¶i phãng Èn nhiÖt. Sù
®èt nãng nμy cã thÓ lμm t¨ng c−êng héi tô mùc thÊp.
(ii) B¶n th©n hμnh tinh t¸c ®éng ®Õn b»ng c¬ chÕ ®éng lùc ®èi víi chuyÓn ®éng.
Quan träng h¬n c¶ lμ tèc ®é quay vμ kÝch th−íc cña hμnh tinh.
(iii) B¶n chÊt tù nhiªn cña mÆt tr¶i d−íi. §Æc biÖt, lùc ma s¸t kÐo t¸c ®éng vμo khÝ
quyÓn lμ mét nh©n tè quan träng. §Þa h×nh cña bÒ mÆt thÊp còng ph¶i ®−îc xem xÐt
d−íi ¶nh h−ëng cña sù ®èt nãng nμy; nÕu ®Þa h×nh ®ñ cao th× hoμn l−u cã thÓ bÞ biÕn
®æi ®¸ng kÓ.
Ta sÏ trë l¹i xÐt tõng nh©n tè nμy, b»ng c¸ch ph¸c ho¹ ph¹m vi biÕn ®æi ®èi víi
c¸c hμnh tinh trong hÖ MÆt Trêi. Th¶o luËn chi tiÕt h¬n sÏ ®−îc tr×nh bμy trong c¸c
phÇn sau.
KhÝ quyÓn cña c¸c hμnh tinh kiÓu Tr¸i §Êt phÇn lín nhËn ®−îc tõ qu¸ tr×nh hÊp
thô bøc x¹ mÆt trêi. C¸c nhiÔu ®éng th¼ng ®øng cña nhiÖt l−îng thu ®−îc lμ mét ®Æc
tÝnh cÇn thiÕt cña hoμn l−u. Hoμn l−u khÝ quyÓn cÇn ph¶i cã dßng nhiÖt th¨ng, nh− ta
®· thÊy trong ph−¬ng tr×nh (5.26). Do ®ã, nÕu toμn bé n¨ng l−îng mÆt trêi ®−îc hÊp
thô t¹i mét vμi mùc trªn cao trong khÝ quyÓn th× ®éng n¨ng sÏ kh«ng ®−îc sinh ra
trong c¸c mùc thÊp h¬n cña khÝ quyÓn. C¸c qu¸ tr×nh bøc x¹ sÏ t¹o ra mét tr¹ng th¸i
®¼ng nhiÖt ë phÇn d−íi cña khÝ quyÓn. HËu qu¶ nμy, ®«i khi gäi lμ ®Þnh lý Sandstrom,
®óng ®èi víi c¸c ®¹i d−¬ng cña Tr¸i §Êt; c¸c dßng ch¶y quan tr¾c trong ®¹i d−¬ng
kh«ng hoμn toμn bÞ ®iÒu khiÓn bëi nhiÖt mμ do t¸c ®éng c¬ häc cña khÝ quyÓn. Trong
tr−êng hîp khÝ quyÓn phñ ®Çy m©y vμ cã ®é dμy lín nh− khÝ quyÓn Sao Kim, ta cã thÓ
dù b¸o t−¬ng tù c¸c líp ho¹t ®éng cã ý nghÜa khÝ t−îng cña khÝ quyÓn. §ã lμ líp phÝa
trªn ®Ønh m©y, ë ®é cao kho¶ng 60km c¸ch mÆt ®Êt víi líp ®¼ng nhiÖt dμy phÝa d−íi.
Gradien nhiÖt ®é th¼ng ®øng cña Sao Kim gÇn b»ng gradien ®o¹n nhiÖt ë phÝa d−íi
- 284 -
- ®Ønh m©y vμ kho¶ng 4% bøc x¹ mÆt trêi ®−îc hμnh tinh nμy hÊp thô cã thÓ tíi bÒ mÆt.
Do ®ã, mÆc dï c¸c líp ®Ønh m©y lμ líp ho¹t ®éng khÝ t−îng quan träng nhÊt nh−ng bøc
x¹ ®¹t ®Õn khÝ quyÓn tÇng thÊp cña Sao Kim ®ñ ®Ó ®iÒu khiÓn c¸c chuyÓn ®éng yÕu
gÇn bÒ mÆt. Trong tr−êng hîp Tr¸i §Êt vμ Sao Háa, l−îng bøc x¹ ®Õn bÒ mÆt nhiÓu
h¬n ®−a khÝ quyÓn tíi tr¹ng th¸i bÊt æn ®Þnh tÜnh. Sù vËn chuyÓn nhiÖt theo ph−¬ng
th¼ng ®øng bëi c¸c hoμn l−u hμnh tinh gióp cho viÖc gi¶i thÝch tr¹ng th¸i æn ®Þnh tÜnh
quan tr¾c ®−îc; Ýt nhÊt trong ®iÒu kiÖn kh«ng cã bôi, nh− sù æn ®Þnh ho¸ quy m« lín,
c¸c dßng nhiÖt ®éng lùc lμ mét qu¸ tr×nh chiÕm −u thÕ trªn Sao Ho¶. Trªn Tr¸i §Êt ®é
bÊt æn ®Þnh tÜnh quan tr¾c ®−îc còng bÞ chi phèi bëi gradien ®o¹n nhiÖt Èm ë miÒn
nhiÖt ®íi.
MÆt kh¸c, tÊt c¶ c¸c hμnh tinh khæng lå Sao Méc, Sao Thæ vμ Sao H¶i V−¬ng ®Òu
cã mét nguån néi nhiÖt ®¸ng kÓ. NhiÖt n¨ng nμy b¾t nguån tõ sù suy yÕu träng tr−êng
chËm cña c¸c hμnh tinh. Trong tr−êng hîp cña Sao Méc, ng−êi ta −íc tÝnh sù gi¶m
b¸n kÝnh cña nã lμ kho¶ng 1 mm trong mét thÕ kû, ®iÒu ®ã gióp gi¶i thÝch cho dßng
nhiÖt nãi trªn. Sao Thiªn V−¬ng l¹i kh¸c so víi c¸c hμnh tinh khÝ lín ë chç nã gÇn nh−
kh«ng cã nguån néi nhiÖt ®¸ng kÓ, mÆc dï nã cã nhiÒu ®Æc tr−ng vËt lÝ gÇn gièng víi
c¸c ®Æc tr−ng cña Sao H¶i V−¬ng. Ngoμi Sao Thiªn V−¬ng, nguån néi nhiÖt cña nã l¹i
lín h¬n l−îng nhiÖt nhËn ®−îc tõ MÆt Trêi. Do ®ã, ®iÒu kiÖn cÇn thiÕt cho sù vËn
chuyÓn nhiÖt th¼ng ®øng t¨ng, trong khi ®ã sù ®èt nãng cña bøc x¹ mÆt ph¶i t−¬ng
®èi nhá, ®iÒu ®ã cã nghÜa lμ gradien ngang cña nhiÖt ®é nhá vμ do ®ã sù vËn chuyÓn
nhiÖt h−íng cùc cã thÓ Ýt quan träng h¬n. §é lín cña hiÖu øng nμy cßn ch−a ®−îc biÕt
chÝnh x¸c, do ®ã kÕt qu¶ nμy ta thÊy r»ng chÕ ®é dßng giã cña c¸c hμnh tinh vÉn lμ
mét vÊn ®Ò ®ang cßn tranh c·i.
C−êng ®é cña ®èt nãng ®−îc ®o t−¬ng øng bëi thêi gian gi¶m yÕu bøc x¹. CÊu tróc
nhiÖt thùc lμ kÕt qu¶ cña hai nhãm qu¸ tr×nh bï trõ nhau. T¸c ®éng bøc x¹ sinh ra
gradien nhiÖt ®é theo c¶ ph−¬ng th¼ng ®øng vμ ph−¬ng ngang. ChuyÓn ®éng do nhiÖt
t¹o ra trong khÝ quyÓn lμ qu¸ tr×nh lμm gi¶m c¸c gradien nhiÖt ®é. NÕu quy m« thêi
gian bøc x¹ lμ ng¾n h¬n so víi quy m« thêi gian ®éng lùc, liªn quan tíi hoμn l−u hμnh
tinh th× cÊu tróc nhiÖt cña khÝ quyÓn rÊt khã bÞ nhiÔu ®éng m¹nh bëi c¸c qu¸ tr×nh
®éng lùc, vμ cÊu tróc nhiÖt trung b×nh sÏ tiÕn dÇn tíi c©n b»ng bøc x¹. MÆt kh¸c,
trong giíi h¹n quy m« gi¶m yÕu bøc x¹ rÊt dμi, chuyÓn ®éng kh«ng khÝ sÏ triÖt tiªu
gÇn nh− toμn bé gradien nhiÖt ®é.
Tèc ®é quay cña hμnh tinh lμ mét lùc ®Èy m¹nh nhÊt ®èi víi chÕ ®é dßng khÝ hμnh
tinh. ChuyÓn ®éng quay nhanh lμm t¨ng chuyÓn ®éng th¼ng ®øng vμ chuyÓn ®éng
h−íng cùc vμ do ®ã biÕn ®æi ®Æc tr−ng cña hoμn l−u cÇn cho vËn chuyÓn nhiÖt. Víi tèc
®é quay nhá, vßng hoμn l−u Hadley cã thÓ vËn chuyÓn toμn bé nhiÖt. Víi tèc ®é quay
lín, hoμn l−u Hadley bÞ thu hÑp thμnh mét d¶i ë miÒn nhiÖt ®íi, trong khi ®ã c¸c qu¸
tr×nh kh¸c nh− bÊt æn ®Þnh tμ ¸p sÏ chiÕm −u thÕ trong vËn chuyÓn nhiÖt ë miÒn vÜ ®é
cao. Quy m« ®Æc tr−ng cña hÇu hÕt c¸c quy m« bÊt æn ®Þnh tμ ¸p, LR, ®−îc cho bëi
NH
L R k R1 (10.1)
f
- 285 -
- H×nh 10.1 C¸c bøc ¶nh vÒ ®Ønh m©y cho thÊy mét sè ®Æc ®iÓm cña hoµn l−u khÝ quyÓn cña ba hµnh
tinh. (a) Sao Kim, chôp víi b−íc sãng cùc tÝm. (b) Tr¸i §Êt chôp víi b−íc sãng nh×n thÊy. (c) Sao Méc,
chôp víi b−íc sãng nh×n thÊy.
Ph−¬ng tr×nh nμy cho ta thÊy quy m« cña c¸c sãng tμ ¸p t¨ng theo tèc ®é quay do
®ã hiÖu suÊt cña qu¸ tr×nh vËn chuyÓn nhiÖt sÏ gi¶m khi LR nhá h¬n nhiÒu so víi a,
b¸n kÝnh cña hμnh tinh. Tèc ®é quay cña c¸c hμnh tinh trong hÖ MÆt Trêi biÕn ®æi
trong ph¹m vi rÊt réng, tõ gi¸ trÞ rÊt nhá cña Sao Kim cho tíi tèc ®é quay cùc nhanh
cña Sao Méc. VËn tèc quay trªn ®−êng xÝch ®¹o a biÕn ®æi tõ 1,8 m/s ®èi víi Sao Kim
®Õn 12500m/s ®èi víi Sao Méc, tèc ®é nμy gÇn 7000m/s.
§Æc ®iÓm cña bÒ mÆt còng lμ mét nh©n tè ®¸ng kÓ. BÒ mÆt cña hμnh tinh tùa Tr¸i
§Êt, r¾n vμ gå ghÒ, g©y t¸c ®éng ma s¸t ®¸ng kÓ ®èi víi khÝ quyÓn. §èi víi Tr¸i §Êt,
thêi gian ‘gi¶m yÕu’ trung b×nh toμn cÇu ®èi víi chuyÓn ®éng tÇng ®èi l−u lμ kho¶ng 5
ngμy. C¸c hμnh tinh khÝ khæng lå kh«ng cã bÒ mÆt cøng. C¸c m« h×nh lý thuyÕt cho ta
thÊy r»ng líp phñ manti cña chóng gÇn nh− thuéc vÒ thÓ khÝ cho ®Õn c¸c ®é s©u rÊt
lín. Cã thÓ gÇn t©m cña hμnh tinh sÏ cã mét lâi ®¸. Nh−ng sù trao ®æi dßng ®éng
l−îng gi÷a c¸c líp ho¹t ®éng khÝ t−îng cña khÝ quyÓn vμ c¸c lâi s©u lμ rÊt nhá, do ®ã
thêi gian gi¶m yÕu ®èi víi hoμn l−u sÏ dμi h¬n so víi hμnh tinh kiÓu Tr¸i §Êt. Kú l¹ lμ
®iÒu ®ã kh«ng cã nghÜa lμ cÇn ph¶i cã hoμn l−u cã quy m« lín h¬n. VÒ mÆt n¨ng l−îng
- 286 -
- th× sù sinh ®éng n¨ng bëi c¸c dßng nhiÖt h−íng cùc vÒ c¬ b¶n ph¶i c©n b»ng víi sù tiªu
t¸n ®éng n¨ng do ma s¸t. NÕu lùc ma s¸t gi¶m th× sù sinh ra ®éng n¨ng, do ®ã lμ c¸c
dßng nhiÖt h−íng cùc vμ dßng nhiÖt th¼ng ®øng còng gi¶m. KÕt qu¶, khÝ quyÓn sÏ thô
®éng vÒ mÆt khÝ t−îng, víi c¸c vect¬ vËn tèc giã song song víi c¸c ®−êng ®¼ng nhiÖt.
§Þa h×nh bÒ mÆt cøng cã ®é cao ®¸ng kÓ cña hμnh tinh sÏ lμm biÕn ®æi hoμn l−u
khÝ quyÓn. Sao Háa cã bÒ mÆt ®Þa h×nh cao h¬n vμ tr¶i ra trªn diÖn tÝch réng h¬n so
víi Tr¸i §Êt nªn sù ®ãng gãp cña t¸c ®éng xo¸y dõng ®èi víi vËn chuyÓn nhiÖt toμn
cÇu ph¶i lín h¬n. VÝ dô ®iÓn h×nh nhÊt lμ c¸c ®¹i d−¬ng Tr¸i §Êt. ViÖc biÓu diÔn vËt
c¶n theo h−íng kinh tuyÕn chiÕm −u thÕ trong hoμn l−u cña phÇn lín c¸c ®¹i d−¬ng.
Trong môc tiÕp chóng t«i sÏ xem xÐt nhãm khÝ quyÓn cña c¸c hμnh tinh ®· biÕt ®Ó kÕt
nèi nh÷ng ®iÒu ®· biÕt vÒ hoμn l−u khÝ quyÓn. Ta còng sÏ tãm t¾t vÒ hoμn l−u trong
hÖ thèng liªn hÖ víi hÖ thèng ®¹i d−¬ng vμ chÊt khÝ quay trong phßng thÝ nghiÖm.
10.2 C¸c hoμn l−u kiÓu Tr¸i §Êt
C¸c hoμn l−u toμn cÇu kiÓu Tr¸i §Êt ®−îc ®Æc tr−ng bëi mét ‘c¬ chÕ Hadley’ ®èi
xøng trôc thùc t¹i c¸c vÜ ®é thÊp, vμ mét c¬ chÕ tùa ®Þa chuyÓn ®· bÞ nhiÔu ®éng theo
vÜ h−íng t¹i c¸c vÜ ®é cao h¬n. Hai c¬ chÕ nμy t−¬ng t¸c víi nhau m¹nh mÏ, vμ ®Æc biÖt
trong mïa ®«ng ë B¾c B¸n CÇu c¸c sãng dõng c−ìng bøc biÓu hiÖn mét c¸ch phøc t¹p
h¬n. TÊt c¶ c¸c vÊn ®Ò ®Òu ®· ®−îc ®Ò cËp ®Õn víi c¸c møc ®é chi tiÕt kh¸c nhau trong
c¸c ch−¬ng tr−íc. Môc ®Ých cña môc nμy lμ nghiªn cøu kho¶ng biÕn ®æi cña c¸c ®iÒu
kiÖn mμ víi chóng viÖc m« t¶ nμy cßn h÷u Ých. §Æc biÖt, c¬ chÕ tùa ®Þa chuyÓn sÏ ®−îc
th¶o luËn trong môc nμy, cßn c¬ chÕ Hadley sÏ ®−îc xem xÐt ®Õn trong môc sau.
Sù vËn chuyÓn nhiÖt trong c¬ chÕ tùa ®Þa chuyÓn kiÓu Tr¸i §Êt vÒ nguyªn t¾c x¶y
trong c¸c nhiÔu ®éng tμ ¸p víi ®Æc ®iÓm lμ theo chiÒu cao c¸c sãng tμ ¸p nghiªng vÒ
phÝa t©y. §Þnh lý Eady trong môc 5.4 xuÊt ph¸t tõ lý thuyÕt bÊt æn ®Þnh tuyÕn tÝnh,
nã cho phÐp ta dù b¸o quy m« vμ cÊu tróc cña c¸c nhiÔu ®éng quan tr¾c ®−îc ë miÒn
«n ®íi cña Tr¸i §Êt. Ta biÕt sè sãng vÜ h−íng cña phÇn lín sãng bÊt æn ®Þnh lμ
k = 1,61 KR (10.2)
trong ®ã KR-1 = LR lμ b¸n kÝnh biÕn d¹ng Rossby, ®−îc viÕt nh− sau
NH
LR (10.3)
f
B¸n kÝnh Rossby lμ quy m« ®é dμi ®Æc tr−ng cña nhiÔu ®éng ë miÒn «n ®íi. §iÒu kiÖn
cÇn ®Çu tiªn cho c¸c nhiÔu ®éng nμy tån t¹i lμ hμnh tinh ph¶i ®ñ lín ®Ó chøa ®−îc c¸c
b−íc sãng bÊt æn ®Þnh, tøc lμ
LR a (10.4)
§èi víi Tr¸i §Êt, LR/a b»ng kho¶ng 0,12, nh− vËy nã cã thÓ gi¶m ®Õn kho¶ng gi¸ trÞ
thÝch hîp mμ bÊt æn ®Þnh tμ ¸p vÉn cã thÓ x¶y ra. §èi víi Sao Ho¶, tû lÖ ®ã b¼ng
kho¶ng 0,33, ®iÒu nμy cho ta thÊy c¸c sãng tμ ¸p vÉn t−¬ng tù nh− ë Tr¸i §Êt nh−ng
nã sÏ cã quy m« biÕn ®æi trong giíi h¹n réng h¬n liªn quan víi b¸n kÝnh hμnh tinh.
- 287 -
- Tèc ®é ph¸t triÓn cña hÇu hÕt sãng bÊt æn ®Þnh ®−îc ®−a ra trong ph−¬ng tr×nh
(5.52). Ta cã thÓ viÕt l¹i nh− sau
0,31 Ri 1 / 2 f (10.5)
trong ®ã Ri lμ sè Richardson kh«ng thø nguyªn, ®−îc x¸c ®Þnh b»ng N2 / (uz)2, hiÓu
mét c¸ch ®¬n gi¶n nhÊt th× ®ã lμ mét ®¹i l−îng v« thø nguyªn cña ®é bÊt æn ®Þnh tÜnh.
NÕu c©n b»ng giã nhiÖt kh«ng bÞ ph¸ vì th× Ri hoμn toμn cã thÓ ®−îc viÕt theo c¸c sè
h¹ng gradien nhiÖt ®é thÕ vÞ
f 2 0
z y 2
Ri (10.6)
g
Ph©n tÝch tùa ®Þa chuyÓn ®Ó dÉn ph−¬ng tr×nh (5.6) chØ phï hîp víi c¸c gi¸ trÞ Ri
lín, tøc lμ víi tèc ®é quay lín vμ tÇng bÊt æn ®Þnh cao, nh−ng gradien nhiÖt ®é theo
ph−¬ng ngang t−¬ng ®èi yÕu. MiÒn «n ®íi cña Tr¸i §Êt ®−îc ®Æc tr−ng bëi sè Ri 50,
nh− vËy chóng cã thÓ gi¶m trong giíi h¹n nμy. Nh−ng trªn nh¸nh h−íng xÝch ®¹o cña
dßng xiÕt cËn nhiÖt, gi¸ trÞ ®Þa ph−¬ng cña Ri nhá h¬n rÊt nhiÒu, nãi chung nhá h¬n
10. Lý thuyÕt cã thÓ thay ®æi ®èi víi sè Ri nhá h¬n. Nh−ng khi Ri xÊp xØ ®¬n vÞ (= 1)
hoÆc nhá h¬n th× c¬ chÕ ®éng lùc sÏ hoμn toμn kh¸c, chiÕm −u thÕ bëi ‘c¸c bÊt æn ®Þnh
®èi xøng’ víi sè sãng vÜ h−íng b»ng kh«ng nh−ng quy m« kinh h−íng bÞ giíi h¹n. Do
®ã, ®é æn ®Þnh tÜnh cña khÝ quyÓn ®−îc coi lμ mét ®Æc tÝnh quan träng trong viÖc x¸c
®Þnh c¸c ®Æc ®iÓm hoμn l−u cña nã.
Khã kh¨n mμ ta gÆp ph¶i lμ gradien ngang vμ gradien th¼ng ®øng cña nhiÖt ®é
thÕ vÞ kh«ng x¸c ®Þnh ®−îc c¸c ®Æc tr−ng cña khÝ quyÓn. C¸c nguån vμ c¸c trung t©m
tiªu t¸n nhiÖt t¸c ®éng ®éc lËp cã thÓ gióp x¸c ®Þnh c¸c gi¸ trÞ c©n b»ng bøc x¹ cña
gradien nhiÖt ®é nh−ng b¶n th©n hoμn l−u khÝ quyÓn sÏ lμm biÕn ®æi ph©n bè nhiÖt
®é. Riªng ®èi víi Tr¸i §Êt, ®Ó x¸c ®Þnh gi¸ trÞ thùc cña sè Ri ®èi víi khÝ quyÓn hμnh
tinh víi ®é chÝnh x¸c cao. §iÒu ®ã lμ do rÊt khã x¸c ®Þnh chÝnh x¸c tÇng kÕt cña khÝ
quyÓn. H¬n n÷a, ®èi víi c¸c hμnh tinh khÝ khæng lå ta kh«ng biÕt gradien ë phÝa d−íi
®Ønh m©y nªn ë ®©y xuÊt hiÖn mét c©u hái míi lμ c¸c hoμn l−u trªn c¸c hμnh tinh nμy
cã ph¶i lμ tùa ®Þa chuyÓn, tμ ¸p hay kh«ng hoÆc chóng thuéc vÒ lo¹i hoμn toμn kh¸c.
§Ó nghiªn cøu s©u h¬n, ta cÇn ph¶i tham sè ho¸ sù vËn chuyÓn nhiÖt cña hoμn
l−u tùa ®Þa chuyÓn trong c¸c sè h¹ng gradien nhiÖt ®é ¶nh h−ëng tíi c¸c ®¹i l−îng
kh¸c. MÆc dï ®· cã rÊt nhiÒu cè g¾ng, hiÖn nay vÉn ch−a thùc hiÖn ®−îc ®iÒu ®ã. H¬n
n÷a ®ã lμ mét trong nh÷ng nguyªn nh©n t¹i sao nghiªn cøu hoμn l−u toμn cÇu ngμy
nay chñ yÕu lμ c¸c thö nghiÖm m« h×nh toμn cÇu (GCM). C¸c thö nghiÖm ®· m« h×nh
hãa c¸c giai ®o¹n ph¸t triÓn cña mçi nhiÔu ®éng riªng biÖt. ViÖc sö dông c¸c m« h×nh
sè phøc cã thÓ lμ mét ph−¬ng ph¸p h÷u Ých trong viÖc nghiªn cøu lý thuyÕt c¬ chÕ
®éng lùc cña c¸c dßng khÝ hμnh tinh. Nh−ng víi môc ®Ých chøng minh nμy ta sÏ giíi
h¹n ë viÖc tham sè ho¸ vËn chuyÓn nhiÖt tμ ¸p vμ tõ ®ã thu ®−îc mét m« h×nh ph©n
tÝch cÊu tróc cña c¸c khÝ quyÓn hμnh tinh ®èi víi kho¶ng c¸c gi¸ trÞ ngo¹i suy.
C¸c ph©n tÝch nμy dùa trªn m« h×nh tuyÕn tÝnh Eady víi ®é bÊt æn ®Þnh tμ ¸p. C¸c
ph−¬ng tr×nh tÝnh c¸c dßng nhiÖt ®é ngang vμ th¼ng ®øng trong môc 5.4 t−¬ng øng lμ
- 288 -
- (5.54) vμ (5.56). §èi víi môc ®Ých tÝnh to¸n ®Þnh l−îng th× sè sãng cña phÇn lín sãng
bÊt æn ®Þnh sÏ ®−îc thay thÕ trong c¸c ph−¬ng tr×nh ®ã vμ c¸c dßng sÏ ®−îc tÝnh t¹i
mùc gi÷a vμ t¹i c¸c ®iÓm thuéc vÜ ®é trung b×nh. Víi c¸c c¸ch chän ®Æc biÖt nμy, c¸c
dßng nhiÖt ®é ®−îc viÕt l¹i nh− sau
v 3,9 gNH
f
2
2
** 0
(10.7)
2
f 2 y
w 1,2 N H 2
**
(10.8)
3 2
trong ®ã, lμ biªn ®é hμm dßng. Mét gi¸ trÞ ®Æc tr−ng cña cÇn ph¶i ®−îc −íc tÝnh ®Ó
cã thÓ tÝnh ®−îc c¸c dßng nhiÖt tõ ph−¬ng tr×nh (10.7) vμ (10.8). CÇn ph¶i gi¶ thiÕt
mét sè mèi quan hÖ gi÷a vμ tr¹ng th¸i trung b×nh cña khÝ quyÓn; mèi quan hÖ ®ã
®−îc gäi lμ ‘gi¶ thiÕt khÐp kÝn’. Mét sè gi¶ thiÕt khÐp kÝn ®ã cã thÓ thùc hiÖn ®−îc; tÊt
c¶ ®Òu cã thÓ gi¶i thÝch ®−îc gi¶ thiÕt khÐp kÝn trong môc nμy lμ c¸c sãng ®¹t ®−îc
mét biªn ®é ®Æc tr−ng ®ã lμ
v* U (10.9)
x
§iÒu nμy muèn nãi r»ng hμm dßng t¹o víi dßng nÒn vÜ h−íng kh«ng nhiÔu ®éng
mét gãc b»ng kho¶ng 45o khi biªn ®é t¨ng liªn tôc. Sö dông ph−¬ng tr×nh (10.9) kÕt
hîp víi c«ng thøc gi¶i mode chuÈn ®èi víi hÇu hÕt sãng bÊt æn ®Þnh biÓu diÔn b»ng
ph−¬ng tr×nh (5.44) vμ (5.46), ta nhËn ®−îc c¸c −íc l−îng dßng nhiÖt ®é toμn phÇn
v 1,5 gf
3/ 2
H2 2 1/ 2
**
(10.10)
y z
3 / 2
2
0
w 0,46 gf
3/ 2
H2 1 / 2
3
**
(10.11)
y z
3 / 2
2
0
C¸c biÓu thøc nμy cã liªn quan víi c¸c dßng nhiÖt ®é th¼ng ®øng vμ dßng nhiÖt ®é
h−íng cùc ®Æc tr−ng cho gradien nhiÖt ®é th¼ng ®øng vμ gradien nhiÖt ®é ngang. LiÖu
kÕt qu¶ tÝnh cã chÝnh x¸c kh«ng, rÊt nhiÒu thö nghiÖm m« h×nh hoμn l−u toμn cÇu ®·
thÊt b¹i; ta cã thÓ tham sè ho¸ ®¬n gi¶n c¸c hÖ thèng tμ ¸p cña miÒn «n ®íi. KÕt qu¶ lμ
c¸c nghiªn cøu vÒ hoμn l−u toμn cÇu sÏ cã triÓn väng. Thùc tÕ, c¸c −íc l−îng nμy lμ rÊt
th«; tèi ®a, chóng chØ ®¬n thuÇn cho ta mét xÊp xØ cao h¬n so víi dßng nhiÖt ®é thùc.
Môc ®Ých cña ta trong ch−¬ng nμy kh«ng ph¶i lμ ®Ó cã ®−îc c¸c kÕt qu¶ dù b¸o rÊt
chÝnh x¸c vÒ ®é lín thùc cña c¸c dßng nhiÖt ®ã trong c¸c tr−êng hîp ®Æc biÖt mμ lμ t×m
ra sù phô thuéc cña c¸c dßng nhiÖt vμo c¸c ®Æc ®iÓm cña hμnh tinh ch¼ng h¹n nh− tèc
®é quay.
C¸c dßng nhiÖt ®é cã liªn quan víi c¸c sãng tμ ¸p sÏ lμm biÕn ®æi c¸c gradien nhiÖt
®é theo c¶ ph−¬ng ngang vμ ph−¬ng th¼ng ®øng. C¸c ¶nh h−ëng nμy sÏ bÞ triÖt tiªu
bëi c¸c qu¸ tr×nh bøc x¹, ho¹t ®éng ®éc lËp, sÏ t¹o ra tr¹ng th¸i c©n b»ng bøc x¹. Ta sÏ
viÕt l¹i ph−¬ng tr×nh nhiÖt ®éng lùc nh− sau
- 289 -
-
**
v w ** H (10.12)
t y z E
C¸c dßng ®èi nhau nhá h¬n do hoμn l−u trung b×nh vÜ h−íng ®−îc bá qua. LÊy vi
ph©n theo y hoÆc z sau ®ã nhËn ®−îc ph−¬ng tr×nh tÝnh gradien nhiÖt ®é thÕ vÞ theo
chiÒu th¼ng ®øng vμ h−íng cùc. Theo ®Þnh lý Eady, [v**]yz = 0; ®¹o hμm theo ph−¬ng
ngang còng sÏ ®−îc bá qua. §¹o hμm bËc hai cña c¸c dßng nhiÖt ®é ®−îc xÊp xØ b»ng
c«ng thøc sau
v v / a w w / H
** ** 2 ** ** 2
(10.13)
,
yy zz
Sè h¹ng ®Çu tiªn cña c¸c biÓu thøc nμy cho thÊy r»ng cã mét vïng sãng tμ ¸p ®¬n
lÎ gi÷a xÝch ®¹o vμ cùc; trong tr−êng hîp mμ ta sÏ xÐt ë môc 10.4 khi ë ®ã cã thÓ cã
mét sè quü ®¹o b·o song song cã quy m« nhá h¬n a nh− theo c«ng thøc nμy. C¸c
ph−¬ng tr×nh ®èi víi gradien nhiÖt ®é cã thÓ ®−îc viÕt nh− sau
B B
g3/ 2H2
B t 0,75 V1 / 2 B 2 E (10.14)
E
0 a
2 3/ 2 2
V V
g3/ 2
V 1 / 2 B 3 E
Vt 0,23 (10.15)
E
0
2 3/ 2
§Ó thuËn tiÖn h¬n, ®Æt B vμ V theo c¸c c«ng thøc sau
B = - []y, V = []z (10.16)
Nh− vËy B d−¬ng ®èi víi tr¹ng th¸i b×nh th−êng, khi c¸c vïng cùc l¹nh h¬n xÝch ®¹o;
BE vμ VE lμ c¸c gi¸ trÞ c©n b»ng bøc x¹ cña B vμ V.
KhÝ hËu trong tr¹ng th¸i dõng cña hμnh tinh t×m ®−îc b»ng c¸ch lÊy ®¹o hμm c¸c
ph−¬ng tr×nh (10.14) vμ (10.15) vμ cho b»ng 0; bμi to¸n chuyÓn thμnh gi¶i mét hÖ hai
ph−¬ng tr×nh ®¹i sè ®ång nhÊt theo B vμ V. VÝ dô, gi¶ sö r»ng khÝ quyÓn cã tÇng kÕt
phiÕm ®Þnh nªn VE = 0. Khi ®ã gradien nhiÖt ®é thÕ vÞ theo ph−¬ng ngang ®−îc cho bëi
3
2 B
B
B 1 0 (10.17)
B
E E
vμ gradien nhiÖt ®é thÕ vÞ theo ph−¬ng th¼ng ®øng lμ
2
B
B
B
V 0,55 E (10.18)
E
CÊu tróc cña khÝ quyÓn ®−îc x¸c ®Þnh b»ng mét tham sè kh«ng thø nguyªn ®¬n lÎ
g 2 / 3 B E
0,68 E
(10.19)
4 / 3 0
vμ lμ tû sè h×nh häc, H/a. H×nh 10.2 minh häa lêi gi¶i khi thay ®æi. §èi víi rÊt lín,
®é bÊt æn ®Þnh tμ ¸p m¹nh ®Õn møc triÖt tiªu toμn bé gradien nhiÖt ®é thÕ vÞ theo
ph−¬ng ngang vμ ®−a profile th¼ng ®øng vÒ gÇn d¹ng profile phiÕm ®Þnh. Khi tiÕn
dÇn ®Õn 0 th× khÝ quyÓn chuyÓn dÇn sang tr¹ng th¸i c©n b»ng bøc x¹. Víi trung
b×nh, gradien nhiÖt ®é theo ph−¬ng ngang gi¶m vμ tÇng kÕt khÝ quyÓn lμ æn ®Þnh. §é
- 290 -
- æn ®Þnh cùc ®¹i ®¹t ®−îc víi = 2. §èi víi Tr¸i §Êt, = 5 trong khÝ ®ã gi¸ trÞ cña Sao
Ho¶ b»ng 1,3. C¶ hai gi¸ trÞ nμy ®Òu phï hîp víi c¬ chÕ mμ ë ®ã c¸c xo¸y ®¹t ®−îc ®é
bÊt æn ®Þnh cùc ®¹i cña khÝ quyÓn. TÝnh to¸n ®¬n gi¶n nμy cho ta thÊy r»ng c¸c
gradien nhiÖt ®é theo ph−¬ng ngang gÇn víi tr¹ng th¸i c©n b»ng ®èi víi Sao Háa h¬n
lμ ®èi víi Tr¸i §Êt, mÆc dï profile th¼ng ®øng cña c¶ hai khÝ quyÓn nμy ®Òu bÞ æn ®Þnh
ho¸ ®¸ng kÓ bëi c¸c xo¸y.
H×nh 10.2 BiÓu diÔn gradien nhiÖt ®é ngang vµ gradien nhiÖt ®é theo chiÒu th¼ng ®øng dù b¸o tõ mét
m« h×nh ph©n tÝch khÝ quyÓn hµnh tinh tùa ®Þa chuyÓn ®èi víi c¸c gi¸ trÞ kh¸c nhau cña th«ng sè
kh«ng thø nguyªn . C¸c gi¸ trÞ ®−îc chän biÓu diÔn b»ng c¸c vßng trßn. B ®−îc lÊy theo quy m«
b»ng BE vµ V b»ng BE/
C¸c nhiÔu ®éng tμ ¸p cña khÝ quyÓn Tr¸i §Êt rÊt bÊt th−êng. C¸c hÖ thèng riªng
biÖt cã mét giíi h¹n biÕn ®æi cña c−êng ®é, tèc ®é pha vμ thêi gian tån t¹i rÊt réng. Do
®ã dßng khÝ trong tÇng ®èi l−u cña Tr¸i §Êt kh«ng thÓ dù b¸o tr−íc ®−îc. Nh÷ng kh¸c
biÖt nhá trong tr¹ng th¸i ban ®Çu sÏ dÉn tíi nh÷ng sù tiÕn triÓn rÊt kh¸c nhau cña c¸c
hÖ thèng tμ ¸p riªng biÖt, do ®ã nhanh chãng dÉn tíi sù kh¸c nhau cña c¸c hÖ thèng
dßng khÝ toμn cÇu. C¸c th¸m s¸t bÒ mÆt cho thÊy r»ng vÒ thùc chÊt khÝ quyÓn Sao
Ho¶ t−¬ng tù víi Tr¸i §Êt vÒ sù vËn chuyÓn nhiÖt do c¸c nhiÔu ®éng tμ ¸p chiÕm −u
thÕ trong hoμn l−u mïa ®«ng l¹i cã thÓ dù b¸o ®−îc mét c¸ch dÔ dμng h¬n nhiÒu. H×nh
10.3 lμ biÕn tr×nh khÝ ¸p quan tr¾c tõ phÇn ®æ bé Viking. Trong suèt mïa hÌ, khÝ
quyÓn cã tÝnh Ýt ho¹t ®éng vÒ mÆt khÝ t−îng, chØ cã sù thay ®æi rÊt nhá cña khÝ ¸p.
BiÕn ®æi hμng ngμy cña giã bÒ mÆt, liªn quan víi ®é dèc ®Þa h×nh cña ®Þa ph−¬ng, lμ
toμn bé ®Æc tr−ng thêi tiÕt quan träng. Vμo mïa thu vμ mïa ®«ng, khÝ ¸p t¨ng; ®ã lμ
do sù ng−ng tô cña l−îng CO2 rÊt lín t¸ch khái khÝ quyÓn trªn ®Ønh Nam Cùc trong
mïa ®«ng cña Nam B¸n CÇu. Dßng khÝ cã liªn quan víi sù ng−ng tô cña CO2 t¹i c¸c
®Ønh cùc vμo mïa ®«ng vμ sù bèc h¬i t−¬ng øng cña nã t¹i cùc vμo mïa hÌ lμ mét yÕu
tè quan träng ®èi víi hoμn l−u toμn cÇu cña Sao Háa. C¸c tÝnh to¸n ®¬n gi¶n cho ta
thÊy hoμn l−u cã thÓ t¨ng c−êng dßng xiÕt mïa ®«ng ®Õn tèc ®é 15-20 m/s. Vμo mïa
- 291 -
- ®«ng, cã thÓ quan tr¾c ®−îc c¸c nhiÔu ®éng cña khÝ ¸p bÒ mÆt khi c¸c hÖ thèng xo¸y
thuËn tμ ¸p di chuyÓn qua ®Êt liÒn. C¸c biÕn ®æi nμy cã quy luËt rÊt râ, víi biªn ®é vμ
chu kú gÇn nh− kh«ng ®æi, ®iÒu nμy cho thÊy sù di chuyÓn cã quy luËt cña c¸c nhiÔu
®éng sãng víi sè sãng lμ bèn cã biªn ®é ®ång nhÊt h¬n trªn ®Êt liÒn. C¸c ph©n tÝch phæ
®èi víi biÕn tr×nh khÝ ¸p biÓu thÞ mét ®Ønh nhän nhÊt ®¬n lÎ t¹i mét chu kú b»ng
kho¶ng bèn ngμy trªn Sao Háa.
Lý thuyÕt ®¬n gi¶n tr×nh bμy trong môc nμy rÊt h¹n chÕ, gióp dù b¸o quy m« ®é
dμi ®Æc tr−ng cña c¸c xo¸y tμ ¸p, vμ gi¶ thiÕt møc ®é biÕn ®æi cña profile nhiÖt ®é c©n
b»ng bøc x¹. Nã cho ta biÕt c¸c ®¹i l−îng nμy cã thÓ phô thuéc nh− thÕ nμo vμo c¸c
tham sè quan träng nh− tèc ®é quay vμ quy m« thêi gian bøc x¹. Nh−ng lý thuyÕt ®ã
kh«ng gióp dù b¸o ®Þnh l−îng mét c¸ch chÝnh x¸c ®èi víi gradien th¼ng ®øng hay
gradien nhiÖt ®é theo ph−¬ng ngang. Nã còng kh«ng thÓ cho ta chØ thÞ nμo vÒ dßng
®éng l−îng do c¸c xo¸y, kh«ng ®−îc dù b¸o b»ng lý thuyÕt Eady, còng nh− sù t−¬ng
t¸c gi÷a c¬ chÕ tùa ®Þa chuyÓn ë miÒn «n ®íi vμ c¬ chÕ Hadley miÒn nhiÖt ®íi. §Ó
nghiªn cøu c¸c vÊn ®Ò nμy ta cÇn cã mét m« h×nh hoμn l−u toμn cÇu. H×nh (10.4) biÓu
diÔn kÕt qu¶ ch¹y liªn tiÕp m« h×nh hoμn l−u toμn cÇu víi c¸c tèc ®é quay kh¸c nhau.
Tham sè ho¸ c¸c qu¸ tr×nh líp biªn, ®èt nãng vμ lμm l¹nh bøc x¹, vμ tham sè ho¸ ®èi
l−u vμ c¸c qu¸ tr×nh Èm kh¸c thùc chÊt lμ ®èi víi c¸c hμnh tinh kiÓu Tr¸i §Êt. BiÓu ®å
cho ta thÊy giã trung b×nh vÜ h−íng [u ], ®èi víi mçi lÇn ch¹y. Víi tèc ®é quay b»ng
kh«ng ta thÊy kh«ng cã dßng vÜ h−íng ®èi xøng. Tèc ®é quay chËm, cho thÊy mét dßng
xiÕt t¹i nh¸nh h−íng vÒ phÝa cùc cña vßng hoμn l−u Hadley, vßng hoμn l−u nμy cã xu
h−íng dÞch chuyÓn lªn c¸c vÜ ®é rÊt cao. Víi c¸c tèc ®é quay gÇn tèc ®é quay cña Tr¸i
§Êt, b¾t ®Çu xuÊt hiÖn h×nh thÕ dßng xiÕt miÒn cËn nhiÖt vμ dßng xiÕt vÜ ®é cao yÕu
h¬n. Víi tèc ®é quay lín h¬n, dßng vÜ h−íng trë nªn rÊt yÕu, kÌm theo c©n b»ng giã
nhiÖt. Nh−ng mét sè dßng xiÕt miÒn «n ®íi, mçi dßng ®Òu cã liªn quan cùc ®¹i cña ho¹t
®éng xo¸y quan tr¾c ®−îc ë c¸c miÒn «n ®íi. Víi tèc ®é quay lín nhÊt, dßng xiÕt xÝch
®¹o h−íng t©y m¹nh chiÕm −u thÕ. M« h×nh nμy t−¬ng tù m« h×nh hμnh tinh khÝ
khæng lå h¬n lμ c¸c hμnh tinh kiÓu Tr¸i §Êt, vμ cho thÊy r»ng sù kh¸c biÖt cña tèc ®é
quay cã thÓ lμ mét sù kh¸c biÖt quan träng nhÊt gi÷a chÕ ®é kiÓu Tr¸i §Êt vμ chÕ ®é
Jovian. §©y lμ mét vÊn ®Ò cßn g©y tranh c·i vμ sÏ ®−îc th¶o luËn trong môc 10.4.
- 292 -
- H×nh 10.3 (a) BiÕn tr×nh khÝ ¸p theo thêi gian (trong chu kú quay cña Sao Háa) ®èi víi vïng ®æ bé
Viking trªn bÒ mÆt Sao Háa. (b) Ph©n tÝch phæ cña biÕn tr×nh khÝ ¸p mïa ®«ng, biÓu diÔn sù tËp trung
vµo mét ®Ønh nhän ®¬n lÎ
CÇn xem xÐt sai sè phÐp tham sè ho¸ c¸c xo¸y tμ ¸p trong c¸c sè h¹ng bÊt æn ®Þnh
tμ ¸p kiÓu Eady (hay Charney) b»ng mét vÝ dô cuèi cïng. Trªn H×nh 10.5 minh ho¹
hai thö nghiÖm ng−îc nhau víi m« h×nh hoμn l−u toμn cÇu ®¬n gi¶n ®· giíi thiÖu
trong môc 2.5. C¶ hai thö nghiÖm ®Òu cho c¸c ®iÒu kiÖn c©n b»ng bøc x¹, x¸c ®Þnh víi
gi¶ ®Þnh hoμn l−u mïa ®«ng kiÓu Tr¸i §Êt gi¶m yÕu, vμ ®Ó x¸c ®Þnh c¸c ®Æc ®iÓm
hμnh tinh chØ thÞ víi mét phÐp lo¹i bá sù kh¸c nhau lμ trong lÇn ch¹y thø nhÊt cã thêi
gian gi¶m yÕu do ma s¸t thùc kho¶ng 5 ngμy, trong khi kÕt qu¶ cña lÇn ch¹y thø hai
thêi gian gi¶m yÕu rÊt dμi, ®Õn 1250 ngμy. ¶nh h−ëng ®èi víi c¸c xo¸y lμ rÊt phøc t¹p.
Trong tr−êng hîp ma s¸t bÒ mÆt nhá, hoμn toμn kh«ng cã xo¸y vμ tr−êng nhiÖt ®é
thùc chÊt lμ tr−êng c©n b»ng bøc x¹ Trong tr−êng hîp ma s¸t lín cã c¸c xo¸y ho¹t
®éng vμ cÊu tróc nhiÖt t−¬ng tù nh− m« h×nh ®¬n gi¶n ®−îc minh häa trªn H×nh 10.2.
Trong tr−êng hîp lùc ma s¸t lín, giã bÒ mÆt rÊt yÕu nh−ng trong tr−êng hîp lùc ma
s¸t nhá, giã bÒ mÆt lμ rÊt m¹nh vμ ®é ®øt giã theo chiÒu ngang lín. §©y lμ ®Æc tr−ng
cuèi cïng lμm cho viÖc tham sè ho¸ Eady kh«ng thμnh c«ng. M« h×nh Eady kh«ng bao
gåm sù biÕn ®æi theo ph−¬ng ngang cña [u]; kÕt qu¶ lμ dÉn ®Õn mét bμi to¸n kh«ng
- 293 -
- t¸ch biÖt vμ khã gi¶i. Gi¶i b»ng ph−¬ng ph¸p sè ®èi víi bμi to¸n bÊt æn ®Þnh tμ ¸p
tuyÕn tÝnh víi ®é ®øt giã theo ph−¬ng ngang cho thÊy r»ng ®é ®øt giã lμm gi¶m tèc ®é
ph¸t triÓn cña c¸c sãng bÊt æn ®Þnh, chñ yÕu b»ng c¸ch h¹n chÕ cÊu tróc cña chóng, do
®ã chóng kh«ng thÓ g©y ¶nh h−ëng lín ®èi víi thÕ n¨ng kh¶ n¨ng.
u tõ c¸c m« pháng sè
H×nh 10.4 MÆt c¾t th¼ng ®øng theo khÝ ¸p-vÜ ®é cña giã vÜ h−íng trung b×nh
cña khÝ quyÓn hµnh tinh kiÓu Tr¸i §Êt, trong ®ã tèc ®é quay cña hµnh tinh thay ®æi. (Theo Williams,
1988a)
KÕt qu¶ cuèi cïng nhÊn m¹nh vai trß quan träng cña c¸c biªn trªn vμ biªn d−íi
trong qu¸ tr×nh bÊt æn ®Þnh tμ ¸p. C¶ hai m« h×nh Eady vμ Charney ®Òu phô thuéc
vμo sù tån t¹i cña c¸c biªn cøng ®Ó duy tr× ®é bÊt æn ®Þnh. ThËm chÝ ®èi víi ‘®é bÊt æn
®Þnh tμ ¸p bªn trong’ mμ trong ®ã sù ®æi dÊu cña gradien xo¸y thÕ t¹i c¸c mùc cã thÓ
t¹o ra ®é bÊt æn ®Þnh víi mét líp kh«ng cã ma s¸t, ®é ®øt giã ngang sÏ t¨ng trong suèt
thêi gian sãng tμ ¸p ph¸t triÓn vμ ®¹t biªn ®é nhÊt ®Þnh, vμ cuèi cïng ®é ®øt giã nμy
sÏ lμm cho chÊt láng trë nªn æn ®Þnh. §èi víi hμnh tinh cã khÝ quyÓn rÊt dμy hay khÝ
quyÓn kh«ng cã líp biªn d−íi cøng th× ®é bÊt æn ®Þnh tμ ¸p cã thÓ kh«ng ph¶i lμ mét c¬
chÕ quan träng. Ta sÏ trë l¹i xem xÐt vÊn ®Ò nμy trong môc 10.4 khi ta xÐt hoμn l−u
cña c¸c hμnh tinh khÝ khæng lå.
- 294 -
- H×nh 10.5 C¸c kÕt qu¶ thö nghiÖm sè víi ‘m« h×nh hoµn l−u toµn cÇu ®¬n gi¶n’ m« t¶ bëi ph−¬ng tr×nh
(2.34) vµ (2.35) víi ma s¸t bÒ mÆt kh¸c nhau cña (i) tr−êng nhiÖt ®é t¹i thêi ®iÓm bÊt kú ë mùc m« h×nh
thÊp nhÊt (kho¶ng c¸ch ®−êng ®¼ng trÞ lµ 4K) vµ (ii) mÆt c¾t th¼ng ®øng cña giã trung b×nh vÜ h−íng
u (kho¶ng c¸ch ®−êng ®¼ng trÞ lµ 5ms-1). (a) D = 1 ngµy, (b) D = 250 ngµy
10.3 Nh÷ng khÝ quyÓn quay chËm
H×nh 10.4 chØ ra r»ng khi tèc ®é quay gi¶m, nÕu c¸c ®iÒu kiÖn kh¸c vÉn gi÷
nguyªn th× c¬ chÕ Hadley më réng vμ cuèi cïng chiÕm −u thÕ trong hoμn l−u ë c¶ miÒn
nhiÖt ®íi vμ miÒn «n ®íi. Dßng xiÕt t¹i nh¸nh vÒ phÝa cùc cña vßng hoμn l−u Hadley
t¨ng c−êng vμ di chuyÓn vÒ phÝa cùc. §©y lμ ®Æc ®iÓm ®Þnh tÝnh theo m« h×nh Held–
Hou cña vßng hoμn l−u Hadley trong môc 4.2. Ph−¬ng tr×nh (4.12) cho thÊy ®é réng
cña vßng hoμn l−u Hadley sÏ tû lÖ nghÞch víi tèc ®é quay, trong khi c¸c nh©n tè kh¸c
®−îc b¶o toμn. Khi ®é réng cña vßng hoμn l−u Hadley trë nªn t−¬ng ®−¬ng víi b¸n
kÝnh hμnh tinh th× vßng hoμn l−u Hadley sÏ thèng trÞ hoμn l−u vμ Ýt nhiÒu bÞ ®−a ra
khái c¬ chÕ sãng tùa ®Þa chuyÓn. §iÒu kiÖn cho mét vßng hoμn l−u Hadley chiÕm −u
thÕ ®ã lμ
gH
R 0T 1 (10.20)
2a 20
Sè R0T v« thø nguyªn ®¬n gi¶n lμ mét sè Rossby, trong ®ã quy m« vËn tèc ®Æc tr−ng
®−îc tÝnh to¸n b»ng c¸ch gi¶ sö cã c©n b»ng giã nhiÖt gi÷a nhiÖt ®é vμ tr−êng giã vÜ
h−íng, vμ trong ®ã quy m« ®é dμi ®Æc tr−ng lμ b¸n kÝnh cña hμnh tinh.
- 295 -
- Sù b¶o toμn m«men ®éng l−îng nh− ®· gi¶ thiÕt trong môc 4.2 sÏ h×nh thμnh ®íi
giã vÜ h−íng m¹nh t¹i c¸c vÜ ®é cao, vμ m«men ®éng l−îng tuyÖt ®èi b»ng kh«ng ë hÇu
hÕt miÒn nhiÖt ®íi vμ «n ®íi. Ma s¸t víi bÒ mÆt sÏ lμm gi¶m giã m¹nh vμ sÏ t¨ng hiÖu
øng khi tèc ®é quay gi¶m, khi ®ã quy m« thêi gian ph¸ huû cña vßng hoμn l−u Hadley
sÏ dμi h¬n rÊt nhiÒu so víi quy m« thêi gian ma s¸t. Do ®ã, tõ H×nh 10.4, ta thÊy giã vÜ
h−íng sÏ kh«ng v−ît qu¸ 80m/s khi b»ng 1/4 tèc ®é quay cña Tr¸i §Êt vμ chóng sÏ
gi¶m khi nhá h¬n.
H×nh 10.6 Minh ho¹ giã vÜ h−íng cña khÝ quyÓn Sao Kim. (a) giã ë gÇn ®Ønh m©y lµ mét hµm cña vÜ ®é,
tÝnh tõ chuyÓn ®éng cña c¸c ®Æc ®iÓm m©y quan tr¾c ®−îc bëi tµu vò trô Pioneer. (b) profile th¼ng
®øng cña giã, tõ th¸m s¸t cao kh«ng Pioneer vµ kÕt qu¶ thùc nghiÖm cña Nga
Sao Kim lμ mét vÝ dô ®iÓn h×nh nhÊt vÒ hμnh tinh cã tèc ®é quay nhá trong hÖ
MÆt Trêi. KhÝ quyÓn cña Sao Kim rÊt dμy vμ cã mËt ®é lín, nh−ng ta sÏ chó träng h¬n
vμo c¸c chuyÓn ®éng t¹i mùc gÇn ®Ønh m©y, ë ®é cao kho¶ng 60km trªn bÒ mÆt, n¬i
khÝ ¸p b»ng kho¶ng 300hPa vμ ë ®ã phÇn lín n¨ng l−îng bøc x¹ mÆt trêi ®−îc hÊp
thô. Mét phÇn nhá n¨ng l−îng bøc x¹ mÆt trêi ®¹t tíi bÒ mÆt vμ nã chñ yÕu duy tr×
gradien nhiÖt ®é ë phÇn d−íi tÇng b×nh l−u gÇn b»ng víi gradien ®o¹n nhiÖt. C¸c
th¸m s¸t cho thÊy giã ë phÇn d−íi tÇng ®èi l−u lμ rÊt nhá vμ c¸c líp ho¹t ®éng khÝ
t−îng n»m trong vïng l©n cËn c¸c ®Ønh m©y, ë ®ã quan tr¾c ®−îc tèc ®é giã rÊt m¹nh.
Thμnh phÇn giã vÜ h−íng chiÕm −u thÕ c¸c ®Ønh m©y víi khÝ quyÓn quay quanh hμnh
tinh víi chu k× bèn ngμy (theo ngμy Tr¸i §Êt) hoÆc h¬n. Liªn quan víi c¸c hμnh tinh
cøng, giã xÝch ®¹o b»ng kho¶ng 100m/s. (Trong thùc tÕ giã cã h−íng ®«ng nh−ng Sao
Kim l¹i quay ng−îc l¹i rÊt chËm, chóng biÓu thÞ mét sù siªu quay). Giã gi¶m yÕu t¹i
c¸c mùc thÊp h¬n vμ cao h¬n; t¹i c¸c vÜ ®é cao h¬n kho¶ng 400, c¸c ®Ønh m©y ë c¸c
vïng cùc cña c¸c hμnh tinh cã c©u tróc r¾n quay xung quanh cùc. H×nh 10.6 minh ho¹
tr−êng giã quan tr¾c ®−îc.
Khi giã vÜ h−íng m¹nh nh− giã ë Sao Kim th× cã thÓ ®¸nh gi¸ ®−îc ‘lùc li t©m’ t¸c
®éng vμo phÇn tö khÝ. Trong tr−êng hîp ®¬n gi¶n nhÊt, thμnh phÇn n»m ngang cña
lùc li t©m ph¶i c©n b»ng c¸c lùc lín cßn l¹i, lùc ®ã gäi lμ lùc gradien khÝ ¸p. VÝ dô,
- 296 -
- chuyÓn ®éng kh«ng ma s¸t, trung b×nh vÜ h−íng cña ph−¬ng tr×nh (1.33b) ®−îc viÕt l¹i
thμnh
u2 tan 2usin g Z (10.21)
y
a
trong ®ã khÝ ¸p ®−îc sö dông nh− täa ®é th¼ng ®øng. Khi [u] >> a th× thμnh phÇn
lùc li t©m chiÕm −u thÕ so víi thμnh phÇn Coriolis vμ nh− vËy ph−¬ng tr×nh ®éng
l−îng kinh h−íng cã thÓ ®−îc ®¬n gi¶n tiÕp thμnh c©n b»ng gi÷a lùc li t©m vμ lùc
gradien khÝ ¸p, ®ã lμ ‘c©n b»ng ®¼ng ¸p’, ®−îc m« t¶ bëi
u2 tan g Z (10.22)
y
a
Cã thÓ nhËn ®−îc ph−¬ng tr×nh giã nhiÖt ®¼ng ¸p tõ quan hÖ nμy b»ng c¸ch sö dông
ph−¬ng tr×nh thñy tÜnh ®Ó tÝnh ®é cao ®Þa thÕ vÞ. Ph−¬ng tr×nh nμy cã thÓ ®−îc viÕt
nh− sau
u2 ha
(10.23)
p tan y
trong ®ã h(p) d−îc x¸c ®Þnh tõ ph−¬ng tr×nh (1.54). Chó ý r»ng c©n b»ng ®¼ng ¸p
kh«ng thÓ ¸p dông tïy ý cho tr−êng nhiÖt ®é. Gi¶ sö r»ng [u] b»ng 0 t¹i bÒ mÆt. T¹i
bÊt kú mét mùc khÝ ¸p tuú ý ®Òu cã
u2 a ps
p h(p) y dp (10.24)
tan
Râ rμng, nÕu tÝch ph©n bªn vÕ ph¶i cña ph−¬ng tr×nh lμ d−¬ng th× c©n b»ng ®¼ng ¸p sÏ
cã c¶ thμnh phÇn [u], vμ nh− vËy ph¶i ¸p dông mét lùc c©n b»ng phøc t¹p h¬n. §iÒu
kiÖn tèi thiÓu cho c©n b»ng ®¼ng ¸p ®ã lμ vïng cùc nãi chung ph¶i l¹nh h¬n vïng xÝch
®¹o; thËm chÝ khi c¸c ®iÒu kiÖn nμy kh«ng ®−îc tho¶ m·n hoμn toμn th× sÏ tån t¹i mét
vïng mμ ë ®ã c©n b»ng ®¼ng ¸p kh«ng x¶y ra víi tr−êng nhiÖt ®é.
H×nh 10.7 MÆt c¾t th¼ng ®øng tr−êng nhiÖt ®é cña khÝ quyÓn Sao Kim dùa theo sè liÖu viÔn th¸m tõ vÖ
tinh quü ®¹o Sao Kim Pioneer n¨m 1978 (a) mÆt c¾t vÜ ®é-®é cao, (b) mÆt c¾t kinh ®é-®é cao. Kho¶ng
- 297 -
- gi÷a ®−êng ®¼ng trÞ lµ 5K ®èi víi nhiÖt ®é d−íi 250K vµ 10K ®èi víi nhiÖt ®é cao h¬n. Vïng ®Ëm chØ
nhiÖt ®é n»m trong kho¶ng 235K vµ 250K, vµ ®−êng ®øt chØ mùc ®Ønh m©y trung b×nh. (Schofield &
Taylor, 1983)
Ýt nhÊt phÝa trªn ®Ønh m©y ë Sao Kim, rÊt dÔ dμng theo dâi tr−êng nhiÖt ®é h¬n lμ
tèc ®é giã b»ng c¸ch sö dông kü thuËt viÔn th¸m. Tr−êng giã ®¼ng ¸p kh¸ phï hîp víi
sè liÖu ®o trùc tiÕp giã vÜ h−íng ë gÇn ®Ønh m©y, tuy nhiªn cho ta h×nh dung tr−êng
giã ¶o t¹i c¸c mùc cao h¬n. H×nh 10.7 biÓu diÔn mÆt c¾t th¼ng ®øng cña tr−êng nhiÖt
®é. Tuy nhiªn, c¸c chi tiÕt cña c¸c mÆt cã mèi t−¬ng quan phøc t¹p h¬n so víi m« h×nh
vËn chuyÓn nhiÖt ®èi xøng trôc h−íng vÒ phÝa cùc vμ theo ph−¬ng th¼ng ®øng. Trong
tr−êng hîp ®Æc biÖt, sÏ cã mét cùc tiÓu nhiÖt ®é ë vßng cung cùc vμ nhiÖt ®é cao h¬n
trªn ®Ønh vïng cùc.
Hoμn l−u chung khÝ quyÓn cña Sao Kim lμ rÊt khã gi¶i thÝch, vμ tÊt nhiªn kh«ng
thÓ gi¶i thÝch b»ng hoμn l−u Hadley ®èi xøng trôc. Khã kh¨n trong viÖc thu ®−îc
tr−êng giã xÝch ®¹o tõ toμn bé c¸c hoμn l−u ®èi xøng trôc ®· ®−îc ®Ò cËp tíi trong môc
8.3. XÐt hoμn l−u ®èi xøng trôc, trong ®ã cã thÓ cã ma s¸t t¹i bÒ mÆt, nh−ng trong ®ã
dßng ®−îc më réng. Dßng khÝ ®ã sÏ b¶o toμn ®éng n¨ng riªng cña phÇn tö, trõ khi trôc
quay ho¹t ®éng t¹o ra lùc xo¸y. ChØ cã lùc xo¸y nh− vËy míi ®−îc t¹o ra bëi ma s¸t bÒ
mÆt vμ phÇn lín xo¸y cã thÓ lμm chËm phÇn tö khÝ ®Ó t−¬ng xøng víi hμnh tinh r¾n.
Do ®ã, m«men ®éng l−îng cùc ®¹i cña phÇn tö bÊt kú cã thÓ cã lμ a2; b¶o toμn m«men
®éng l−îng ®ã, giã vÜ h−íng t¹i bÊt kú vÜ ®é nμo còng kh«ng thÓ v−ît qu¸ asin2
/cos (xem ph−¬ng tr×nh (4.1)). Siªu tèc ®é quay quan tr¾c ®−îc cho thÊy sù kh¸c biÖt
so víi ®èi xøng trôc rÊt cÇn cho c¬ chÕ ®éng lùc cña khÝ quyÓn Sao Kim. C¸c lËp luËn
t−¬ng tù còng ®óng ®èi víi dßng xiÕt xÝch ®¹o quan tr¾c ®−îc trªn Sao Méc vμ Sao
Thæ. C¸c dßng xiÕt ®−îc duy tr× bëi c¸c xo¸y mang dßng ®éng l−îng h−íng t©y vÒ miÒn
xÝch ®¹o.
C©u hái ®Æt ra lμ: c¬ chÕ nμo cã thÓ sinh ra c¸c xo¸y cÇn ®Ó Sao Kim quay rÊt
nhanh? Víi tèc ®é quay chËm, bÊt æn ®Þnh tμ ¸p cã thÓ bÞ suy yÕu. C¸c cÊu tróc bÊt æn
®Þnh kh¸c, nh− bÊt æn ®Þnh tμ ¸p, cã thÓ t¹o ra sãng Rossby, cã thÓ lan truyÒn vÒ phÝa
xÝch ®¹o. Nh−ng chóng sÏ cã sù sai dÊu cña dßng ®éng l−îng, cã thÓ t¹o ra mét gia tèc
h−íng t©y so víi vÜ ®é nguån cña chóng vμ mét gia tèc h−íng ®«ng so víi miÒn nhiÖt
®íi. C¸c sãng lan truyÒn theo ph−¬ng th¼ng ®øng, ®Æc biÖt lμ c¸c sãng xÝch ®¹o bÞ
chÆn l¹i nh− ®· tr×nh bμy trong môc 7.1, cã thÓ t¹o ra gia tèc h−íng t©y tõ c¸c mùc
trªn cao, nh− ®· thÊy trong môc th¶o luËn vÒ dao ®éng tùa hai n¨m QBO (môc 8.3).
Ta cÇn gi¶i thÝch xem c¸c sãng cã thÓ bÞ kÝch ®éng nh− thÕ nμo vμ ta sÏ ph¶i ®¸nh gi¸
gia tèc m¹nh nh− thÕ nμo ®Ó chóng cã kh¶ n¨ng ¶nh h−ëng khÝ quyÓn.
Mét nh©n tè quan träng n÷a ®èi víi t¸c ®éng g©y sãng lμ nhiÖt triÒu t¨ng c−êng do
sù t−¬ng ph¶n gi÷a sù ®èt nãng cña bÒ mÆt ®−îc chiÕu s¸ng cña hμnh tinh vμ lμm
l¹nh cña mÆt tèi. Theo B¶ng 10.2, quy m« thêi gian bøc x¹ lμ dμi h¬n nhiÒu so víi chu
kú quay, vμ do vËy nhiÖt triÒu sÏ rÊt nhá. Tuy nhiªn, quy m« thêi gian bøc x¹ dμi ®ã
l¹i dùa vμo khèi l−îng cña toμn bé kkÝ quyÓn, víi qu¸n tÝnh nhiÖt rÊt lín cña nã. PhÇn
lín n¨ng l−îng bøc x¹ mÆt trêi ®−îc hÊp thô t¹i c¸c mùc ®Ønh m©y n¬i khÝ ¸p b»ng
kho¶ng 300hPa. Quy m« thêi gian bøc x¹ t¹i c¸c mùc nμy t−¬ng ®èi ng¾n h¬n so víi
t¹i bÒ mÆt, vμ nhiÖt triÒu cã thÓ t¨ng. Lý thuyÕt nhiÖt triÒu gi¶i thÝch r»ng thÝch øng
- 298 -
- lín nhÊt t−¬ng øng víi sè sãng vÜ h−íng lμ 2. T¸c ®éng nhiÖt triÒu nμy cã thÓ kÝch
®éng c¸c sãng quy m« hμnh tinh, c¸c sãng nμy sÏ lan truyÒn th¼ng ®øng tõ mùc
nguån. H×nh 10.7 (b) biÓu diÔn mÆt c¾t th¼ng ®øng ®é cao-vÜ ®é dùa vμo sè liÖu viÔn
th¸m phi thuyÒn Pioneer th¸m hiÓm Sao Kim. NhiÖt triÒu víi sè sãng 2 biÓu hiÖn rÊt
râ ë gÇn ®Ønh m©y. §é nghiªng pha cho thÊy r»ng nhiÖt triÒu lμ t¸c ®éng g©y gia tèc
h−íng t©y gÇn mùc ®Ønh m©y.
Vai trß cña c¸c nhiÖt triÒu lμm biÕn ®æi dßng vÜ h−íng ®−îc minh häa trªn H×nh
10.8. §©y lμ kÕt qu¶ tÝch ph©n thø hai cña m« h×nh hoμn l−u toμn cÇu víi c¸c tèc ®é
quay kh¸c nhau cña c¸c hμnh tinh kiÓu Tr¸i §Êt cña G.P. William, t−¬ng tù kÕt qu¶
minh ho¹ trªn H×nh 10.4. PhÝa bªn tr¸i lμ ph©n bè cña u ®èi víi tr−êng hîp hoμn l−u
cã tèc ®é quay chËm cã tÝnh ®Õn ®èt nãng bøc x¹ ®èi xøng vÜ h−íng. Dßng xiÕt m¹nh
nhÊt ®èi víi tèc ®é quay b»ng 1/64th tèc ®é quay cña Tr¸i §Êt, n¬i tr−êng giã m¹nh
nhÊt lμ ë 750N. Khi ®−a vμo m« h×nh sù biÕn ®æi thùc hμng ngμy cña bøc x¹ hÊp thô
®−îc tõ mÆt ®Êt th× ®éng l−îng h−íng t©y ®−îc vËn chuyÓn ®Õn c¸c vÜ ®é thÊp h¬n, vμ
thËt vËy c¸c dßng h−íng t©y n»m t¹i c¸c mùc trªn cao cña khu vùc xÝch ®¹o. MÆc dï
c¸c thùc nghiÖm ®ã cho thÊy nhiÖt triÒu cã thÓ ®iÒu khiÓn ®é quay nhanh nh−ng
kh«ng m¹nh h¬n tèc ®é ®· quan tr¾c ®−îc trªn Sao Kim.
Nh− vËy trong khi lý thuyÕt nhiÖt triÒu cã vÎ hîp lý th× nã vÉn ch−a tho¶ m·n vÒ
mÆt ®Þnh l−îng. ThËt vËy, kh«ng cã mét m« h×nh lÝ thuyÕt nμo cã kh¶ n¨ng dù b¸o tèc
®é quay rÊt lín quan tr¾c ®−îc cña Sao Kim. C¸c m« h×nh thμnh c«ng nhÊt th−êng cã
xu h−íng tÝnh to¸n mét sè nh©n tè quan träng nh−ng kh«ng tÝnh c¸c tham sè linh
®éng trong cÊu tróc cña ‘xo¸y nhít’ hoÆc c¸c tham sè kh¸c. PhÇn lín c¸c m« h×nh ®ã cã
thÓ cung cÊp mét dßng cïng h−íng nh−ng kh«ng thÓ thu ®−îc c¸c tèc ®é lín nh− ®·
quan tr¾c. Nh− vËy, trong khi triÒu nhiÖt t¸c ®éng sinh ra tèc ®é quay rÊt lín th×
nh÷ng hiÖu øng kh¸c l¹i cã mét vai trß quan träng. C¸c tiÕn bé míi hy väng theo dâi
®−îc mét c¸ch chi tiÕt vÒ hoμn l−u cña Sao Kim trong mét giai ®o¹n dμi h¬n so víi
nh÷ng g× phi tuyÒn th¸m hiÓm Pioneer thu ®−îc. Ch¼ng h¹n, cã mét vμi dÊu hiÖu cho
thÊy giã vÜ h−íng cã thÓ thay ®æi ®¸ng kÓ qua c¸c chu kú dμi; cã thÓ cã c¸c hiÖn t−îng
t−¬ng tù nh− dao ®éng tùa hai n¨m QBO ë miÒn nhiÖt ®íi cña Tr¸i §Êt.
KhÝ quyÓn cña hμnh tinh Titan lμ mét vÝ dô kh¸c vÒ hμnh tinh cã tèc ®é quay nhá.
Kh«ng thÓ quan tr¾c trùc tiÕp tr−êng giã, do mét líp m©y rÊt máng kh«ng cã h×nh
d¹ng râ rÖt hay líp xol khÝ b¨ng phñ ®Çy khÝ quyÓn. Nh−ng viÖc ®o ®¹c tia hång ngo¹i
l¹i cho thÊy rÊt râ gradien nhiÖt ®é theo ph−¬ng ngang lín, ®Æc biÖt lμ t¹i c¸c mùc
trªn cao cña khÝ quyÓn. GÇn bÒ mÆt nhiÖt ®é gÇn nh− ®ång nhÊt, cã thÓ do quy m« thêi
gan bøc x¹ rÊt dμi ®Õn møc mμ c¸c chuyÓn ®éng rÊt yÕu còng cã thÓ san b»ng bÊt kú
biÕn ®æi nhiÖt ®é nμo. Nh−ng phÝa trªn líp s−¬ng mï, b¨ng c©n b»ng ®¼ng ¸p víi
tr−êng nhiÖt ®é quan tr¾c ®−îc biÓu thÞ dßng giã vÜ h−íng cïng h−íng m¹nh. Mét lÇn
n÷a, nhiÖt triÒu l¹i cho thÊy mét c¬ chÕ râ rμng trong qu¸ tr×nh sinh ra tr−êng giã ®ã.
Cã lÏ tèc ®é quay rÊt lín lμ kÕt qu¶ t¸c ®éng cña dßng khÝ bÞ ®iÒu khiÓn bëi nhiÖt ®èi
víi hμnh tinh quay chËm; nÕu vËy, ta sÏ rÊt khã kh¨n trong viÖc t×m hiÓu c¸c c¬ chÕ cã
liªn quan.
- 299 -
- 10.4 Hoμn l−u khÝ quyÓn cña c¸c hμnh tinh lín
§Æc ®iÓm cña c¸c hμnh tinh nμy lμ cã kÝch th−íc lín vμ chuyÓn ®éng nhanh do
kho¶ng c¸ch cña chóng so víi mÆt trêi kh¸ lín nªn chóng hÊp thô ®−îc mét l−îng rÊt
nhá dßng nhiÖt cña mÆt trêi. Nh−ng tÊt c¶ c¸c hμnh tinh nμy, trõ hμnh tinh Sao Thiªn
V−¬ng, ®Òu cã mét nguån nhiÖt lín t−¬ng ®−¬ng víi dßng nhiÖt cña MÆt Trêi. NhiÖt
l−îng nμy ®−îc gi¶i phãng trong qu¸ tr×nh c¸c hμnh tinh nμy r¬i do lùc träng tr−êng.
Nh©n tè chñ yÕu kh¸c cÇn nãi ®Õn trong khi th¶o luËn vÒ hoμn l−u khÝ quyÓn cña c¶
hμnh tinh nμy lμ chóng ®Òu kh«ng cã bÒ mÆt cøng.
H×nh 10.8 T−¬ng tù nh− H×nh 10.4, nh−ng so s¸nh hai kÕt qu¶ thö nghiÖm sè víi tèc ®é quay nhá. H×nh
bªn tr¸i biÓu diÔn giã vÜ h−íng khi t¸c ®éng nhiÖt lµ ®èi xøng trôc, trong khi ®ã h×nh bªn ph¶i biÓu
diÔn thö nghiÖm t−¬ng tù khi tÝnh ®Õn biÕn tr×nh ngµy cña bøc x¹ mÆt trêi ®i tíi. (Theo Williams, 1988b)
Trong sè c¸c hμnh tinh lín, Sao Méc ®−îc nghiªn cøu nhiÒu nhÊt vμ c¸c ®Æc ®iÓm
quan tr¾c ®−îc vÒ c¸c hoμn l−u khÝ quyÓn sÏ ®−îc m« t¶ d−íi ®©y. Sao Méc ®−îc bao
phñ bëi c¸c líp m©y, líp cao nhÊt n»m gÇn mùc 300hPa. C¸c tÝnh to¸n nhiÖt ®é cho
thÊy: c¸c líp m©y cã mμu s¸ng h¬n chøa mét líp b¨ng amonia; vμ n»m ë c¸c mùc cao
h¬n c¸c ®¸m m©y cã mμu cμng tèi h¬n nhiÖt ®é sÏ cμng cao h¬n vμ do ®ã sÏ n»m ë tÇng
thÊp h¬n trong khÝ quyÓn. Sù xen kÏ cña c¸c ®¸m m©y mμu s¸ng vμ tèi n»m xen kÏ
nhau thμnh c¸c d¶i nμy víi dßng th¨ng chiÕm −u thÕ ë c¸c vÜ ®é cã d¶i m©y mμu s¸ng
vμ dßng gi¸ng chiÕm −u thÕ t¹i c¸c vÜ ®é cã d¶i m©y mμu tèi. Nh÷ng quan tr¾c b»ng
kÝnh viÔn väng tõ Tr¸i §Êt cho ta thÊy ®Æc ®iÓm chÝnh cña c¸c d¶i mμu nμy lμ chóng
tån t¹i trong thêi gian dμi, mÆc dï mçi d¶i riªng biÖt th−êng chÞu ¶nh h−ëng bëi c¸c
cuén xo¸y nhá tøc thêi.
- 300 -
nguon tai.lieu . vn
