Xem mẫu
- ®¹i häc quèc gia H Néi
______________________________________________________________
Edward Aguado v James E. Burt
THêi tiÕt v khÝ hËu
Biªn dÞch: §Æng ThÞ Hång Thñy
NguyÔn Lan Oanh
Nh XuÊt b¶n ®¹i häc quèc gia H Néi
http://www.ebook.edu.vn
- http://www.ebook.edu.vn
2
- Môc lôc
PhÇn 1 - N¨ng l îng v khèi l îng
9
Ch ¬ ng 1. Th n h phÇn v c Êu tróc cña khÝ quyÓn
§é d y cña khÝ quyÓn 11
CÊu t¹o cña khÝ quyÓn 12
C¸c chÊt khÝ vÜnh cöu 14
C¸c chÊt khÝ biÕn ®æi 14
H¬i n íc 15
KhÝ cacbonic 16
¤z«n 19
Mªtan 21
Son khÝ 22
CÊu tróc th¼ng ®øng cña khÝ quyÓn 24
Ph©n líp dùa trªn c¸c tr¾c diÖn nhiÖt ®é 25
Líp dùa trªn c¸c tÝnh chÊt ®iÖn häc: i«n quyÓn 28
Sù tiÕn hãa cña khÝ quyÓn 30
Mét sè kiÕn thøc c¬ së vÒ thêi tiÕt 32
¸p suÊt khÝ quyÓn v giã 33
NhiÖt ®é 37
§é Èm 37
C¸c khÝ quyÓn h nh tinh 38
Dù b¸o thêi tiÕt - võa l nghÖ thuËt võa l khoa häc 41
51
Ch ¬ ng 2. Bøc x¹ MÆt Trêi v c ¸c mïa
N¨ng l îng 52
C¸c lo¹i n¨ng l îng 52
Nh÷ng c¬ chÕ truyÒn n¨ng l îng 54
Bøc x¹ 56
L îng v chÊt cña bøc x¹ 57
C êng ®é v b íc sãng cña bøc x¹ 59
H»ng sè MÆt Trêi 68
Nh÷ng nguyªn nh©n t¹o nªn c¸c mïa cña Tr¸i §Êt 69
http://www.ebook.edu.vn 3
- 85
Ch ¬ ng 3. C©n b»ng n¨ng l î ng v n hiÖt ®é
¶nh h ëng cña khÝ quyÓn ®èi víi bøc x¹ tíi 87
HÊp thô 87
Ph¶n x¹ v t¸n x¹ 87
VËn chuyÓn 92
Sè phËn cña bøc x¹ MÆt Trêi 92
Nh÷ng qu¸ tr×nh truyÒn n¨ng l îng gi÷a bÒ mÆt v khÝ quyÓn 94
Trao ®æi bøc x¹ bÒ mÆt - khÝ quyÓn 94
Bøc x¹ thuÇn v nhiÖt ®é 102
BiÕn thiªn theo vÜ ®é 103
HiÖu øng nh kÝnh 104
Ph©n bè nhiÖt ®é to n cÇu 107
Nh÷ng yÕu tè ¶nh h ëng tíi nhiÖt ®é 107
T ¬ng ph¶n gi÷a ®Êt v n íc 110
C¸c h¶i l u nãng v l¹nh 111
C¸c nh©n tè ®Þa ph ¬ng ¶nh h ëng tíi nhiÖt ®é 111
§o nhiÖt ®é 112
C¸c gi¸ trÞ trung b×nh v biªn ®é nhiÖt ®é 117
Nh÷ng cùc trÞ to n cÇu 119
NhiÖt ®é v tiÖn nghi cña con ng êi 119
BiÓu ®å nhiÖt ®éng lùc v tr¾c diÖn nhiÖt ®é th¼ng ®øng 121
127
Ch ¬ ng 4. ¸p suÊt khÝ quyÓn v g iã
Kh¸i niÖm vÒ ¸p suÊt 127
BiÕn thiªn ¸p suÊt theo ph ¬ng th¼ng ®øng v ph ¬ng ngang 130
Ph ¬ng tr×nh tr¹ng th¸i 134
§o ¸p suÊt 134
Sù ph©n bè ¸p suÊt 138
Gra®ien ¸p suÊt 139
Gra®ien ¸p suÊt ngang trong líp khÝ quyÓn trªn cao 141
Nh÷ng lùc ¶nh h ëng tíi tèc ®é v h íng giã 144
Giã trong khÝ quyÓn trªn cao 148
Giã gÇn bÒ mÆt 152
Xo¸y thuËn, xo¸y nghÞch, r·nh ¸p thÊp v sèng ¸p cao 153
§o giã 157
PhÇn 2 - N íc trong khÝ quyÓn
163
C h ¬ ng 5. §é Èm khÝ quyÓn
H¬i n íc v n íc láng 164
Bay h¬i v ng ng tô 164
C¸c chØ sè vÒ dung l îng h¬i n íc 166
Ph©n bè h¬i n íc 174
Nh÷ng qu¸ tr×nh l m cho kh«ng khÝ ®¹t tíi b·o hßa 174
http://www.ebook.edu.vn
4
- C¸c hiÖu øng cña ®é cong v dung dÞch 179
Quan tr¾c ®é Èm 183
§é Èm cao v t¸c ®éng bÊt lîi ®èi víi con ng êi 185
Sù h¹ nhiÖt cña kh«ng khÝ tíi ®iÓm s ¬ng hoÆc ®iÓm ®ãng b¨ng 186
C¸c d¹ng ng ng tô 191
Sù ph©n bè s ¬ng mï 197
Sù h×nh th nh v tiªu t¸n c¸c giät m©y 198
205
Ch ¬ ng 6. Sù ph¸t triÓn m©y v c ¸c d¹ng m©y
Nh÷ng c¬ chÕ n©ng kh«ng khÝ lªn cao 206
§é æn ®Þnh tÜnh v tèc ®é gi¶m nhiÖt ®é cña m«i tr êng 210
Nh÷ng nh©n tè ¶nh h ëng tíi tèc ®é gi¶m nhiÖt ®é cña m«i tr êng 215
Nh÷ng qu¸ tr×nh h¹n chÕ chuyÓn ®éng th¨ng cña kh«ng khÝ bÊt æn ®Þnh 219
Kh«ng khÝ æn ®Þnh th¸i cùc: nghÞch nhiÖt 221
C¸c lo¹i m©y 224
M©y tÇng cao 225
M©y tÇng trung 228
M©y tÇng thÊp 231
Lo¹i m©y ph¸t triÓn th¼ng ®øng 232
Nh÷ng ®¸m m©y bÊt th êng 236
§é che phñ cña m©y 238
243
Ch ¬ ng 7. C¸c qu¸ tr×nh gi¸ng thñy
Sù lín lªn cña c¸c giät m©y 244
Lín lªn do ng ng kÕt 247
Lín lªn trong m©y Êm 248
Lín lªn trong c¸c ®¸m m©y m¸t v l¹nh 250
C¸c kiÓu gi¸ng thñy 253
TuyÕt 253
Ma 257
M a tuyÕt v m a ®¸ 258
M a kÕt b¨ng 261
§o gi¸ng thñy 262
C¸c m¸y ®o m a 263
Quan tr¾c tuyÕt 266
Gieo m©y nh©n t¹o 267
PhÇn 3 - Ph©n bè v chuyÓn ®éng cña kh«ng khÝ
273
Ch ¬ ng 8. Ho n l u k hÝ quyÓn v p h©n bè ¸p suÊt
M« h×nh mét nh©n 274
M« h×nh ba nh©n 276
C¸c nh©n ¸p suÊt b¸n vÜnh cöu 281
§èi l u quyÓn tÇng cao 283
http://www.ebook.edu.vn 5
- C¸c ®¹i d ¬ng 292
C¸c hÖ thèng giã chÝnh 297
T ¬ng t¸c ®¹i d ¬ng - khÝ quyÓn 309
319
Ch ¬ ng 9. C¸c khèi khÝ v f ront
Sù h×nh th nh cña c¸c khèi khÝ 320
C¸c khu vùc nguån 320
C¸c khèi khÝ lôc ®Þa cùc ®íi (cP) v khèi khÝ lôc ®Þa B¾c B¨ng D ¬ng 322
(cA)
C¸c khèi khÝ biÓn cùc ®íi (mP) 325
C¸c khèi khÝ lôc ®Þa nhiÖt ®íi (cT) 329
C¸c khèi khÝ biÓn nhiÖt ®íi (mT) 330
Front 330
Front l¹nh 332
Front nãng 335
Front dõng 337
Front tï 337
C¸c tuyÕn kh« 340
PhÇn 4 - C¸c nhiÔu ®éng
345
Ch ¬ ng 10. Xo¸y thuËn vÜ ®é trung b×nh
Lý thuyÕt front cùc ®íi 346
Chu kú sèng cña mét xo¸y thuËn vÜ ®é trung b×nh 346
C¸c qu¸ tr×nh trong ®èi l u quyÓn tÇng trung v tÇng cao 352
C¸c sãng Rossby v ®é xo¸y 352
C¸c front bÒ mÆt v c¸c h×nh thÕ mùc cao 357
C¸c front l¹nh v sù h×nh th nh c¸c r·nh thÊp ë mùc cao 357
VÝ dô vÒ mét xo¸y thuËn vÜ ®é trung b×nh 361
C¸c h×nh thÕ giã v thêi tiÕt quy m« lín 366
Quan ®iÓm hiÖn ®¹i - c¸c xo¸y vÜ ®é trung b×nh v c¸c ®ai chuyÒn 369
C¸c xo¸y nghÞch 373
376
Ch ¬ ng 11. SÊm sÐt, giã lèc v v ßi rång
Nh÷ng qu¸ tr×nh h×nh th nh sÊm sÐt 377
An to n sÐt 383
B·o tè: tù tiªu tan v tù sinh s«i 385
Ph©n bè lèc tè theo kh«ng gian v thêi gian 397
Vßi rång 398
http://www.ebook.edu.vn
6
- 419
Ch ¬ ng 12. B·o v x o¸y thuËn nhiÖt ®íi
B·o nhiÖt ®íi trªn Tr¸i §Êt 420
C¸c ®Æc tr ng cña b·o nhiÖt ®íi 422
Sù h×nh th nh b·o nhiÖt ®íi 425
Sù di chuyÓn v tan r· cña b·o nhiÖt ®íi 428
Sù t n ph¸ v nh÷ng rñi ro do b·o g©y ra 432
Theo dâi v c¶nh b¸o b·o 437
PhÇn 5 - Ho¹t ®éng con ng êi
457
Ch ¬ ng 13. Dù b¸o v p h©n tÝch thêi tiÕt
V× sao dù b¸o thêi tiÕt ch a ho n thiÖn 458
C¸c ph ¬ng ph¸p dù b¸o 459
C¸c kiÓu dù b¸o 460
§¸nh gi¸ dù b¸o 461
Thu thËp v truyÒn ph¸t sè liÖu 463
Quy tr×nh dù b¸o v s¶n phÈm dù b¸o 467
B¶n ®å v ¶nh thêi tiÕt 478
BiÓu ®å nhiÖt ®éng lùc 488
Phô lôc ch ¬ng 13: C¸c m« h×nh dù b¸o sè 495
C¸c ®Æc tr ng cña m« h×nh 495
Nh÷ng tiªu chÝ vÒ ®é chÝnh x¸c v kü n¨ng dù b¸o 498
504
Ch ¬ ng 14. T¸c ®éng con ng ê i: ¤ nhiÔm khÝ quyÓn
v c ¸c ®¶o nhiÖt
C¸c chÊt « nhiÔm khÝ quyÓn 505
C¸c h¹t khÝ quyÓn 505
C¸c chÊt «xit cacbon 509
Hîp chÊt cña l u huúnh 510
C¸c «xit nit¬ (NOx) 513
C¸c hîp chÊt h÷u c¬ bay h¬i (hy®rocacbon) 514
S ¬ng mï quang hãa 514
KiÓm so¸t « nhiÔm kh«ng khÝ khÝ quyÓn 517
¶nh h ëng cña giã tíi vËn chuyÓn ph ¬ng ngang 517
¶nh h ëng cña ®é æn ®Þnh khÝ quyÓn 518
C¸c ®¶o nhiÖt ë ®« thÞ 519
C¸c hiÖu øng bøc x¹ 520
Nh÷ng biÕn ®æi vÒ dù tr÷ nhiÖt 525
TruyÒn nhiÖt hiÖn v nhiÖt Èn 525
C¸c ®¶o nhiÖt v dÊu hiÖu cña biÕn ®æi khÝ hËu 526
http://www.ebook.edu.vn 7
- PhÇn 6 – khÝ hËu hiÖn t¹i, qu¸ khø v t ¬ng lai
530
Ch ¬ ng 15. KhÝ hËu Tr¸i §Êt
§Þnh nghÜa khÝ hËu 531
HÖ thèng ph©n lo¹i cña Koeppen 532
C¸c kiÓu khÝ hËu nhiÖt ®íi 535
C¸c kiÓu khÝ hËu kh« 541
C¸c kiÓu khÝ hËu «n hßa vÜ ®é trung b×nh 547
C¸c kiÓu khÝ hËu kh¾c nghiÖt vÜ ®é trung b×nh 552
C¸c kiÓu khÝ hËu cùc 553
KhÝ hËu nói cao (H) 556
560
Ch ¬ ng 16. biÕn ®æi khÝ hËu: qu¸ khø v t ¬ ng lai
§Þnh nghÜa biÕn ®æi khÝ hËu 560
C¸c quy m« thêi gian cña biÕn ®æi khÝ hËu 562
C¸c nÒn khÝ hËu trong qu¸ khø 564
Nh÷ng nh©n tè tham gia v o biÕn ®æi khÝ hËu 573
Nh÷ng c¬ chÕ liªn hÖ ng îc 586
C¸c m« h×nh ho n l u chung 591
C¸c ph ¬ng ph¸p x¸c ®Þnh khÝ hËu qu¸ khø 593
PhÇn 7 - C¸c chuyªn ®Ò v phô lôc
604
Ch ¬ ng 17. Quang häc khÝ quyÓn
C¸c hiÖu øng kh«ng khÝ s¹ch 604
Quang häc m©y v gi¸ng thñy 609
CÇu vång 609
H o quang, mÆt trêi gi¶ v trô mÆt trêi 612
QuÇng s¸ng v quÇng h o quang 613
618
Phô lôc A - Mét sè ®¬n vÞ ®o v chuyÓn ®æi
619
Phô lôc B - KhÝ quyÓn tiªu chuÈn
620
Phô lôc C - C¸c ký hiÖu b¶n ®å thêi tiÕt
http://www.ebook.edu.vn
8
- PhÇn 1 - N¨ng l îng v khèi l îng
Ch ¬ng 1
Th nh phÇn v cÊu tróc cña khÝ quyÓn
Th«ng b¸o thêi tiÕt nguy hiÓm
C¬ quan Thêi tiÕt Quèc gia Norman Oklahoma
7g31ph chiÒu Thø hai, 3/5/1999
Giã lèc søc ph¸ hñy lín ®ang di chuyÓn qua trung t©m th nh phè Oklahoma.
Mét trËn lèc lín ®· g©y thiÖt h¹i nÆng t¹i c¸c khu phÝa nam cña vïng trung
t©m th nh phè Oklahoma. Lóc 7g31ph chiÒu giã lèc ®· ®i v o quËn Nam
Oklahoma ë phÝa ®«ng xa lé liªn bang 35 v phÝa nam c«ng viªn ng· t . C
d©n ë ®«ng nam th nh phè Oklahoma v th nh phè Midwest ®ang trong t×nh
tr¹ng nguy hiÓm! NÕu quý vÞ sèng gÇn c¸c khu vùc trªn h·y lËp tøc thùc hiÖn
nh÷ng biÖn ph¸p phßng giã lèc! Lèc ®· ®ang di chuyÓn vÒ phÝa ®«ng b¾c. §©y
l mét t×nh huèng cùc kú nguy hiÓm v ®e däa m¹ng sèng. NÕu quý vÞ ®ang ë
v o ® êng ®i cña c¬ giã lèc lín v t n ph¸ n y h·y nhanh chãng Èn nÊp.
Bulletin - C¶nh b¸o giã lèc
C¬ quan Thêi tiÕt Quèc gia Norman Oklahoma
10g17ph chiÒu Thø hai, 3/5/1999
C¬ quan Thêi tiÕt Quèc gia t¹i Norman ®· ph¸t h nh
* C¶nh b¸o giã lèc cho quËn Noble ë ®«ng b¾c Oklahoma tíi 10g45ph chiÒu
* Lóc 10g17ph chiÒu mét khu vùc giã lèc bÒ réng 1 dÆm ®· ® îc ghi nhËn gÇn
Mulhall, ®ang di chuyÓn lªn phÝa ®«ng b¾c víi tèc ®é 30 dÆm mét giê.
C¬n lèc n y sÏ c¾t qua xa lé liªn bang 35 gÇn hoÆc phÝa nam Perry. C d©n
quËn Noble cÇn lËp tøc phßng tr¸nh. Perry thuéc ® êng ®i cña c¬n b·o n y.
§©y l mét t×nh huèng cùc kú nguy hiÓm v kh¶ n¨ng ®e däa m¹ng sèng. NÕu
quý vÞ ®ang ë trªn ® êng ®i cña c¬n giã lèc lín v t n ph¸ n y h·y nhanh
chãng Èn nÊp.
C¸c trËn giã lèc ®Æc biÖt nguy hiÓm v o ban ®ªm, bëi v× chóng khã nh×n thÊy.
H·y lËp tøc Èn nÊp. NÕu kh«ng cã tÇng hÇm, h·y di dêi v o phßng s©u bªn
trong hoÆc h nh lang ë tÇng thÊp nhÊt. Gi÷ ®iÖn tho¹i di ®éng ë nh v xe cé
l m n¬i tró t¹m thêi. H·y rêi xa c¸c cöa sæ.
Suèt buæi chiÒu v tèi ng y 3 th¸ng 5 n¨m 1999 h ng chôc b¶n tin t vÊn sù cè
kiÓu nh hai b¶n tin trªn ®©y ®· ® îc ph¸t b¸o cho d©n c vïng trung nam n íc
Mü, khi mét trong nh÷ng trËn giã lèc bïng ph¸t tåi tÖ nhÊt trong nhiÒu thËp niªn
trõng ph¹t khu vùc n y. Khu vùc høng chÞu nÆng nÒ nhÊt l trung t©m Oklahoma,
n¬i 57 c¬n lèc l m thiÖt m¹ng Ýt nhÊt 44 v g©y th ¬ng tÝch 748 ng êi. ë Kansas 5
ng êi kh¸c ®· chÕt v 11 ngh×n tßa nh hoÆc doanh nghiÖp bÞ h h¹i v ph¸ hñy.
http://www.ebook.edu.vn 9
- V i ng y sau, chÝnh c¬n b·o ®· sinh ra nh÷ng trËn lèc ®· chËm d·i tiÕn tíi c¸c
bang l©n cËn, giÕt h¹i thªm 5 ng êi ë Texas v Tennessee.
HÖ thèng b·o gåm 11 yÕu tè b·o chÝnh, gäi l c¸c siªu æ, tr¶i d i trªn tuyÕn t©y
nam ®Õn ®«ng b¾c. Mçi siªu æ t¹o ra Ýt nhÊt mét gi«ng, siªu æ m¹nh nhÊt s¶n sinh
22 gi«ng trong thêi gian 3 giê khi nã du ngo¹n trªn qu·ng ® êng 61 km (38 dÆm).
TrËn d«ng lín nhÊt cña nã ® îc xÕp lo¹i F5 - lo¹i ph¸ hñy m¹nh nhÊt cã thÓ, cã bÒ
réng 1 km v kÐo d i trªn mÆt ®Êt gÇn 4 giê. Gi«ng F5 l gi«ng m¹nh nhÊt, B¾c Mü
ch a tõng tr¶i mét trËn gi«ng nh vËy trong thêi kú 3 n¨m liÒn sau ®ã.
MÆc dï ®· khñng khiÕp nh vËy, song sù viÖc cã thÓ cßn tåi tÖ h¬n nhiÒu nÕu
nh C¬ quan Thêi tiÕt Quèc gia kh«ng cã n¨ng lùc dù b¸o, theo dâi v c¶nh b¸o tiªn
tiÕn. Mét c«ng tr×nh nghiªn cøu dùa trªn nh÷ng quan tr¾c d i h¹n cho r»ng kho¶ng
700 ng êi cã thÓ ®· bÞ thiÖt m¹ng nÕu nh C¬ quan Thêi tiÕt kh«ng ® îc hiÖn ®¹i
hãa nh ng y nay. Nh÷ng ng êi nh §¹i óy Kh«ng Lùc John Millhouse ch¾c s½n
s¸ng ®ång ý víi nhËn ®Þnh trªn. Khi nghe ® îc mét trong nh÷ng tin c¶nh b¸o d«ng,
«ng v gia ®×nh ®· di dêi xuèng tÇng trÖt cña nh m×nh. Khi hä tho¸t n¹n, chØ tr¬
chäi hai bøc t êng cña tßa nh cßn sãt, tÊt c¶ nh÷ng g× cßn l¹i ®· bÞ ph¸ hñy ho n
to n.
B¶ng 1.1. Sè l îng thiªn tai v tæn thÊt t i chÝnh trung b×nh n¨m
do c¸c sù kiÖn thêi tiÕt ë Mü thËp kû 90
Sè vô thiªn tai Tæn thÊt trung b×nh n¨m
Sù kiÖn
trung b×nh n¨m (theo $ n¨m 1999)
Lò lôt 98 5 300 000 000
B·o nhiÖt ®íi 21 5 400 000 000
B·o mïa ®«ng 57 329 000 000
Gi«ng lèc 56 777 000 000
Nãng cùc ®oan 282 85 000 000
L¹nh cùc ®oan 292 368 000 000
SÐt 69 38 000 000
M a ®¸ 1 938 000 000
Tæng céng 876 13 000 000 000
Kh«ng ph¶i tÊt c¶ nh÷ng hiÖn t îng thêi tiÕt ®Òu th¶m h¹i nh c¸c trËn gi«ng,
nh ng ®óng l thêi tiÕt cã mét t¸c ®éng to lín tíi ®êi sèng h ng ng y cña chóng ta:
chóng ta vui ®ãn vÎ ®Ñp cña b×nh minh, chóng ta kinh ng¹c víi søc m¹nh cña c¸c
c¬n b·o nhiÖt ®íi, chóng ta mong m a r o ®Ó nu«i d ìng nh÷ng khu v ên cña m×nh
v than phiÒn vÒ nãng v l¹nh. Råi thêi tiÕt cã thÓ l m háng nh÷ng kÕ ho¹ch ®i l¹i
cña chóng ta - trong n¨m 2000 nh÷ng nhâng nhÏo cña khÝ quyÓn ®· g©y nªn h¬n
300 000 vô ho·n bay cña h ng kh«ng Hoa Kú! B¶ng 1.1 tæng kÕt nh÷ng íc l îng
míi ®©y vÒ gi¸ tæn thÊt t i chÝnh v ng êi h ng n¨m do c¸c lo¹i hiÖn t îng thêi tiÕt
cùc ®oan trong ph¹m vi n íc Mü nh÷ng n¨m chÝn m ¬i. MÆc dï c¸c trËn b·o nhiÖt
®íi v gi«ng cã thÓ chÞu tr¸ch nhiÖm vÒ tæn thÊt con ng êi ®¸ng sî, nh ng nãng v
l¹nh cùc ®oan l nh÷ng kÎ s¸t nh©n lín nhÊt ë Mü, cßn lò lôt v b·o g©y tæn thÊt
t i chÝnh to lín nhÊt. B¶ng 1.1 thùc ra ch a ®¸nh gi¸ hÕt nh÷ng tæn thÊt do thêi
http://www.ebook.edu.vn
10
- tiÕt g©y ra. MÆc dï thêi tiÕt cùc ®oan giÕt h¹i gÇn 900 ng êi mçi n¨m, con sè n y
chØ l mét phÇn cña kho¶ng 6 000 vô bÊt h¹nh giao th«ng liªn quan tíi thêi tiÕt x¶y
ra chñ yÕu do nh÷ng sù kiÖn ch a ph¶i l kh¾c nghiÖt l¾m.
MÆc dï biÕt vËy, phÇn lín chóng ta biÕt kh¸ Ýt nh l m thÕ n o v v× sao khÝ
quyÓn l¹i xö sù nh vËy. ë nh÷ng trang sau ®©y chóng t«i hy väng ® a ra c©u tr¶
lêi c¶ nh thÕ n o v v× sao nh»m gióp c¸c b¹n hiÓu nh÷ng qu¸ tr×nh vËt lý c¬ b¶n.
Nh c¸c b¹n sÏ thÊy, khÝ quyÓn l mét hçn hîp cña nh÷ng ph©n tö khÝ, nh÷ng
phÇn tö l¬ löng cùc bÐ cña chÊt r¾n v chÊt láng v gi¸ng thñy. KhÝ t îng häc l
khoa häc nghiªn cøu vÒ khÝ quyÓn v c¸c qu¸ tr×nh (nh h×nh th nh m©y, sÊm sÐt
v chuyÓn ®éng giã) g©y nªn nh÷ng g× m chóng ta gäi l “thêi tiÕt”. Ch ¬ng n y
giíi thiÖu nh÷ng yÕu tè c¬ b¶n nhÊt cña khÝ t îng häc, l m c¬ së cho phÇn lín
nh÷ng g× tiÕp theo trong phÇn cßn l¹i cña cuèn s¸ch n y.
§é d y cña khÝ quyÓn
Mçi ®øa trÎ ®Òu tõng hái: “Trêi cao bao nhiªu?”. Tuy nhiªn, kh«ng cã c©u tr¶
lêi x¸c ®Þnh cho c©u hái n y, bëi v× khÝ quyÓn cña Tr¸i §Êt c ng ë nh÷ng ®é cao lín
c ng lo·ng. Mét ng êi ë trong kinh khÝ cÇu ®ang bay lªn sÏ bÞ bao quanh bëi mét
bÇu khÝ quyÓn dÇn dÇn Ýt ®Ëm ®Æc h¬n. T¹i mét ®é cao n o ®ã, kh«ng khÝ trë nªn
lo·ng ®Õn møc ng êi ®i kinh khÝ cÇu sÏ kh«ng chÞu næi do thiÕu «xy - nh ng ë ®ã
vÉn cßn l khÝ quyÓn. T¹i ®é cao 16 km, hay 10 dÆm, mËt ®é cña kh«ng khÝ chØ b»ng
kho¶ng 10 % mËt ®é t¹i mùc n íc biÓn, cßn t¹i 50 km (30 dÆm) mËt ®é chØ cßn
kho¶ng 1 % so víi t¹i mùc n íc biÓn. ThËm chÝ t¹i c¸c ®é cao mét sè tr¨m km trªn
mùc n íc biÓn vÉn cßn mét Ýt kh«ng khÝ v do ®ã cßn khÝ quyÓn. Tuy nhiªn, v×
kh«ng cã mét ®Þnh nghÜa ® îc ho n to n chÊp nhËn r»ng bao nhiªu kh«ng khÝ chøa
trong mét thÓ tÝch cho tr íc th× cã nghÜa l cã khÝ quyÓn (thÝ dô, nÕu cã mét ph©n
tö kh«ng khÝ trong mét km khèi th× cã l khÝ quyÓn kh«ng?), nªn chóng ta kh«ng cã
c¸ch n o x¸c ®Þnh biªn phÝa trªn cña nã.
H×nh 1.1. MÆc dï vÎ ngo i nh×n tõ bÒ mÆt, khÝ quyÓn cùc máng so víi phÇn cßn l¹i cña Tr¸i §Êt
Nh×n tõ bÒ mÆt Tr¸i §Êt, khÝ quyÓn tá ra rÊt s©u th¼m. Tuy nhiªn, thùc sù
phÇn lín khÝ quyÓn ® îc chøa trong ph¹m vi mét líp vá t ¬ng ®èi máng bao quanh
http://www.ebook.edu.vn 11
- c¸c ®¹i d ¬ng v c¸c lôc ®Þa. §Ó b n luËn tiÕp, ta gi¶ sö r»ng giíi h¹n phÝa trªn cña
khÝ quyÓn xuÊt hiÖn t¹i 100 km (60 dÆm) bªn trªn mùc n íc biÓn (trong thùc tÕ,
99,99997 % khÝ quyÓn ® îc chøa ë phÝa d íi ®é cao n y). B»ng c¸ch so s¸nh ®é d y
100 km n y víi b¸n kÝnh 6500 km (4000 dÆm) cña Tr¸i §Êt, chóng ta thÊy r»ng ®é
d y cña khÝ quyÓn nhá h¬n 2 % ®é d y Tr¸i §Êt tÝnh tõ t©m. §iÒu n y thÊy râ trªn
h×nh 1.1 - ¶nh Tr¸i §Êt v khÝ quyÓn cña nã ® îc chôp tõ kho¶ng kh«ng vò trô.
§Ønh cña m©y d«ng cã lÏ cã ®é cao kho¶ng 12 km (7,5 dÆm), nh ng khi nh×n tõ
kho¶ng kh«ng vò trô nã d êng nh dÝnh x¸t v o mÆt ®Êt. Nãi mét c¸ch so s¸nh,
mÆc dï khi ng íc nh×n tõ d íi lªn ta thÊy chóng thËt ®å sé, nh ng nh÷ng ®¸m
m©y ®ã kh«ng d y h¬n líp vá cña mét qu¶ t¸o.
Do khÝ quyÓn máng, nªn chuyÓn ®éng cña nã trªn nh÷ng khu vùc lín ph¶i chñ
yÕu diÔn ra theo ph ¬ng ngang. ThËt vËy, ngo¹i trõ mét sè ngo¹i lÖ ®· biÕt, c¸c tèc
®é giã ph ¬ng ngang th êng mét ngh×n lÇn lín h¬n tèc ®é giã ph ¬ng th¼ng ®øng.
Tuy nhiªn, chóng ta kh«ng thÓ xem th êng nh÷ng chuyÓn ®éng th¼ng ®øng cña
giã. Nh ta sÏ thÊy, thËm chÝ nh÷ng di dêi theo ph ¬ng th¼ng ®øng nhá cña kh«ng
khÝ cã mét t¸c ®éng quan träng tíi tr¹ng th¸i cña khÝ quyÓn. ThËt ng îc ®êi, nh÷ng
chuyÓn ®éng Ýt Ên t îng nhÊt - chuyÓn ®éng ph ¬ng th¼ng ®øng - mÆc dï khã ph¸t
hiÖn v dù b¸o - l¹i th nh ra quan träng nhÊt trong viÖc quyÕt ®Þnh nhiÒu h nh vi
cña khÝ quyÓn.
MÆc dï tÝnh chÊt máng t ¬ng ®èi cña m×nh, khÝ quyÓn h m chøa mét khèi
l îng ®¸ng kÓ. Khèi l îng tæng céng cña khÝ quyÓn - 5,14 × 1015 kg, t ¬ng ® ¬ng víi
5,65 ngh×n tØ tÊn - ®ã l l îng n íc cã thÓ lÊp ®Çy mét c¸i hå kÝch th íc California
víi ®é s©u 13 km (7,7 dÆm).
CÊu t¹o cña khÝ quyÓn
KhÝ quyÓn cÊu t¹o tõ mét hçn hîp c¸c khÝ trong suèt v mét l îng lín c¸c phÇn
tö chÊt r¾n d¹ng vi m« l¬ löng v c¸c h¹t n íc. Nh÷ng ph©n tö cña c¸c chÊt khÝ cã
thÓ trao ®æi gi÷a khÝ quyÓn v bÒ mÆt Tr¸i §Êt th«ng qua c¸c qu¸ tr×nh vËt lý nh
phun nói löa, hoÆc c¸c qu¸ tr×nh sinh häc nh sù h« hÊp cña thùc ®éng vËt. C¸c
ph©n tö cßn cã thÓ ® îc sinh ra v ph¸ hñy b»ng nh÷ng qu¸ tr×nh néi sinh nh
ph¶n øng hãa häc gi÷a c¸c chÊt khÝ.
XÐt mét chÊt khÝ liªn tôc chu chuyÓn gi÷a khÝ quyÓn v bÒ mÆt Tr¸i §Êt (h×nh
1.2). NÕu ta t ëng t îng khÝ quyÓn nh mét bÇu chøa chÊt khÝ, nång ®é khÝ trong
bÇu sÏ gi÷ nguyªn kh«ng ®æi m·i m·i nÕu tèc ®é ®Çu v o (tèc ®é m chÊt khÝ di
chuyÓn tõ ®Êt v o khÝ quyÓn) b»ng tèc ®é ®Çu ra (tèc ®é m chÊt khÝ di chuyÓn tõ
khÝ quyÓn v o ®Êt). Trong ®iÒu kiÖn nh vËy, ta nãi r»ng nång ®é khÝ tån t¹i ë
tr¹ng th¸i æn ®Þnh.
MÆc dï nång ®é khÝ quyÓn cña mét chÊt khÝ gi÷ nguyªn kh«ng ®æi trong nh÷ng
®iÒu kiÖn æn ®Þnh, nh÷ng ph©n tö riªng rÏ l u l¹i trong khÝ quyÓn chØ mét thêi kú
h÷u h¹n tr íc khi chóng bÞ di dêi bëi nh÷ng qu¸ tr×nh ra n o ®ã vËn h nh. Kho¶ng
thêi gian trung b×nh m c¸c ph©n tö riªng rÏ cña mét chÊt ®ang xÐt ë l¹i trong khÝ
quyÓn gäi l thêi gian l u l¹i. Thêi gian l u l¹i ® îc t×m b»ng c¸ch chia khèi l îng
http://www.ebook.edu.vn
12
- cña chÊt trong khÝ quyÓn (b»ng kg) cho tèc ®é m chÊt ®ã nhËp v o v ra khái khÝ
quyÓn (b»ng kg trªn n¨m). VËy nh÷ng chÊt khÝ n o trao ®æi nhanh gi÷a bÒ mÆt
Tr¸i §Êt v khÝ quyÓn th× cã thêi gian l u l¹i ng¾n, ®ã l nh÷ng chÊt khÝ cã nång ®é
khÝ quyÓn t ¬ng ®èi thÊp.
H×nh 1.2. KhÝ quyÓn cã thÓ xem nh mét bÇu chøa víi
sù trao ®æi v o v ra liªn tôc qua bÒ mÆt v c¸c qu¸
tr×nh néi t¹i. NÕu trao ®æi v o v ra x¶y ra cïng tèc ®é
sÏ kh«ng cã biÕn ®æi rßng vÒ dung l îng khÝ. Trong (a)
c¸c mòi tªn biÓu thÞ tèc ®é trao ®æi chËm cña mét chÊt
khÝ gi¶ ®Þnh. KÕt qu¶ l ph©n tö bÊt kú cña khÝ cã thÓ
ch¾c ch¾n duy tr× mét thêi gian d i tr íc khi bÞ chu
chuyÓn ra khái khÝ quyÓn. Trong (b) kÝch th íc cña
bÇu chøa gi÷ nguyªn, nh ng tèc ®é trao ®æi nhanh
h¬n nhiÒu, nªn chÊt khÝ cã thêi gian l u l¹i ng¾n h¬n
H×nh 1.2 minh häa kh¸i niÖm vÒ mét tr¹ng th¸i æn ®Þnh v thêi gian l u l¹i.
C¸c phÇn (a) v (b) biÓu diÔn cïng mét khèi l îng t¹o nªn “bÇu khÝ quyÓn”, ®é d i
c¸c mòi tªn v o v ra chØ tèc ®é m c¸c chÊt khÝ ® îc ® a v o v di dêi ra khái bÇu
chøa. Trong (a) c¸c tèc ®é v o v ra b»ng nhau chØ mét tr¹ng th¸i æn ®Þnh. C¶ hai
tèc ®é ®Òu nhá, tuy nhiªn, ®iÒu ®ã cã nghÜa r»ng ph©n tö riªng lÎ bÊt kú cña chÊt
khÝ cã thêi gian l u l¹i d i. Trong (b) còng cã tr¹ng th¸i æn ®Þnh, nh ng tèc ®é v o
v ra lín h¬n so víi kÝch th íc bÇu chøa dÉn tíi thêi gian l u l¹i ng¾n h¬n.
C¸c chÊt khÝ khÝ quyÓn th êng ® îc ph©n lo¹i th nh khÝ vÜnh cöu hay khÝ biÕn
®æi tïy thuéc nång ®é cña chóng æn ®Þnh hay kh«ng. C¸c chÊt khÝ vÜnh cöu l
nh÷ng chÊt khÝ t¹o th nh mét tØ phÇn kh«ng ®æi cña khèi l îng khÝ quyÓn, cßn c¸c
chÊt khÝ biÕn ®æi l nh÷ng chÊt khÝ cã phÇn ®ãng gãp trong khÝ quyÓn thay ®æi c¶
trong thêi gian v kh«ng gian.
C¸c khÝ vÜnh cöu t¹o nªn phÇn lín h¬n cña khèi l îng khÝ quyÓn - 99,999 % -
v xuÊt hiÖn víi tØ phÇn kh«ng ®æi trong to n bé líp 80 km thÊp nhÊt cña khÝ
quyÓn. Do sù ®ång nhÊt hãa häc cña m×nh, khu vùc giíi h¹n 80 km tõ bÒ mÆt Tr¸i
§Êt n y ® îc gäi l ®ång nhÊt quyÓn (homosphere). Víi nhiÒu môc ®Ých, chóng ta
coi ®ång nhÊt quyÓn nh l to n bé khÝ quyÓn.
Bªn trªn ®ång nhÊt quyÓn l ®a quyÓn (heterosphere), n¬i ®©y c¸c chÊt khÝ
nhÑ h¬n (nh hy®r« v hªli) trë nªn c ng ¸p ®¶o khi t¨ng ®é cao. V× th nh phÇn cña
m×nh thay ®æi theo ®é cao, ®a quyÓn kh«ng chøa c¸c chÊt khÝ thùc sù vÜnh cöu. V×
khèi l îng nhá t¹i nh÷ng ®é cao ®ã, chóng ta sÏ kh«ng theo ®uæi nh÷ng chi tiÕt cña
http://www.ebook.edu.vn 13
- ®a quyÓn m sÏ chØ ®Ò cËp chñ yÕu tíi ®ång nhÊt quyÓn.
C¸c chÊt khÝ vÜnh cöu
§ång nhÊt quyÓn cÊu t¹o chñ yÕu tõ nit¬ v «xy víi nh÷ng l îng nhá c¸c chÊt
khÝ tr¬ acg«n v ne«n v thËm chÝ nh÷ng l îng Ýt h¬n n÷a cña mét sè chÊt khÝ kh¸c
(b¶ng 1.2). Nit¬ khÝ quyÓn tån t¹i chñ yÕu nh c¸c cÆp nguyªn tö nit¬ liªn kÕt víi
nhau ®Ó t¹o th nh nh÷ng ph©n tö ®¬n ký hiÖu l N2. KhÝ nit¬ cã träng l îng ph©n
tö 28,02, cã nghÜa r»ng vÒ trung b×nh khèi l îng cña mét ph©n tö N2 d mét chót
so víi khèi l îng cña tÊt c¶ 28 pr«t«n v n¬tron kÕt hîp víi nhau. PhÇn lín tÊt c¶
c¸c nguyªn tö N chøa 7 pr«t«n v 7 n¬tr«n, nh ng mét sè nguyªn tö nÆng h¬n, cã 8
n¬tr«n. KÕt qu¶ l träng l îng ph©n tö trung b×nh cña N2 h¬i lín h¬n 28.
B¶ng 1.2. C¸c chÊt khÝ vÜnh cöu cña khÝ quyÓn
Hîp phÇn C«ng thøc % thÓ tÝch Träng l îng ph©n tö
Nit¬ N2 78,08 28,01
¤xy O2 20,95 32,00
Acg«n Ar 0,93 39,95
Ne«n Ne 0,002 20,18
Hªli He 0,0005 4,00
Krit«n Kr 0,0001 83,8
Xen«n Xe 0,00009 131,3
Hy®r« H2 0,00005 2,02
Nit¬ l mét chÊt khÝ æn ®Þnh, nã t¹o th nh 78 % thÓ tÝch cña tÊt c¶ c¸c chÊt khÝ
vÜnh cöu, hay 75,5 % cña khèi l îng c¸c chÊt khÝ vÜnh cöu (sù kh¸c nhau l do c¸c
chÊt khÝ cã träng l îng ph©n tö kh¸c nhau nh ng chiÕm cïng mét thÓ tÝch trong
nh÷ng ®iÒu kiÖn t ¬ng tù). Nh÷ng qu¸ tr×nh bæ sung v l m mÊt nit¬ cña khÝ
quyÓn x¶y ra rÊt chËm, th nh thö nã cã thêi gian l u l¹i rÊt d i - 42 triÖu n¨m.
MÆc dï thùc tÕ l nã t¹o nªn h¬n 75 % khÝ quyÓn, N2 t ¬ng ®èi Ýt quan träng
xÐt trªn ph ¬ng diÖn phÇn lín c¸c qu¸ tr×nh khÝ t îng v khÝ hËu häc. (Tuy nhiªn,
nh chóng ta sÏ b n luËn sau n y, c¸c chÊt khÝ dÉn xuÊt cña nit¬ nh «xit nit¬ rÊt
quan träng ®èi víi khÝ hËu Tr¸i §Êt).
ChÊt khÝ ¸p ®¶o thø hai - «xy (O2), l m th nh 21 % thÓ tÝch v 23 % khèi
l îng cña khÝ quyÓn. ¤xy quyÕt ®Þnh ®èi víi sù tån t¹i cña hÇu nh tÊt c¶ c¸c d¹ng
sù sèng. Gièng nh nit¬, c¸c ph©n tö «xy cña khÝ quyÓn phÇn lín chøa c¸c nguyªn
tö cÆp ®«i, gäi l «xy hai nguyªn tö. Thêi gian l u l¹i b»ng kho¶ng 5 000 n¨m. Nit¬
v «xy cïng nhau t¹o th nh 99 % cña tÊt c¶ c¸c chÊt khÝ vÜnh cöu, phÇn cßn l¹i chñ
yÕu l do acg«n. C¸c qu¸ tr×nh l m mÊt acg«n rÊt chËm v thêi gian l u l¹i cña nã
cùc kú d i.
C¸c chÊt khÝ biÕn ®æi
C¸c chÊt khÝ biÕn ®æi chØ l m th nh mét tØ phÇn Ýt ái cña khèi l îng khÝ quyÓn
http://www.ebook.edu.vn
14
- (b¶ng 1.3). MÆc dï l hiÕm, mét sè chÊt khÝ ®ã cã ¶nh h ëng tíi h nh vi cña khÝ
quyÓn - v thËm chÝ tíi ®iÒu kiÖn tån t¹i cña chÝnh c¸c b¹n.
H¬i n íc. H¬i n íc, phong phó nhÊt trong sè c¸c chÊt khÝ biÕn ®æi, chiÕm
kho¶ng mét phÇn t phÇn tr¨m cña tæng khèi l îng khÝ quyÓn. V× nguån h¬i n íc
trong khÝ quyÓn l sù bèc h¬i tõ bÒ mÆt Tr¸i §Êt, nªn nång ®é h¬i n íc th«ng
th êng suy gi¶m nhanh theo ®é cao v phÇn lín h¬i n íc khÝ quyÓn cã mÆt ë trong
líp 5 km thÊp nhÊt cña khÝ quyÓn.
N íc liªn tôc chu chuyÓn gi÷a h nh tinh v khÝ quyÓn trong c¸i gäi l vßng
chu chuyÓn n íc. Tr¸i §Êt ®«i khi ® îc gäi l “h nh tinh n íc”, bëi v× ba phÇn t
bÒ mÆt cña nã bÞ bao phñ bëi c¸c ®¹i d ¬ng, khiªn b¨ng, hå hoÆc s«ng. Ngo i ra,
nhiÒu n íc tån t¹i bªn d íi bÒ mÆt Tr¸i §Êt c¶ ë trong c¸c th nh t¹o b·o hßa (n íc
ngÇm) v trong c¸c líp ®Êt ë bªn trªn b·o hßa tõng phÇn. N íc liªn tôc bèc h¬i tõ
mÆt n íc tho¸ng v tõ l¸ c©y v o trong khÝ quyÓn, n¬i ®©y nã dÇn dÇn ng ng tô ®Ó
t¹o th nh c¸c h¹t láng v c¸c tinh thÓ b¨ng. Nh÷ng h¹t láng v r¾n ®ã bÞ di dêi khái
khÝ quyÓn th«ng qua gi¸ng thñy, nh m a, tuyÕt, m a lÉn tuyÕt hoÆc m a ®¸. V× sù
bèc h¬i, ng ng tô v gi¸ng thñy trªn Tr¸i §Êt x¶y ra nhanh, h¬i n íc cã thêi gian
l u l¹i rÊt ng¾n, chØ kho¶ng 10 ng y.
B¶ng 1.3. C¸c chÊt khÝ biÕn ®æi cña khÝ quyÓn
Hîp phÇn C«ng thøc % thÓ tÝch Träng l îng ph©n tö
H¬i n íc H2O 0,25 18,01
Cacbonic CO2 0,037 44,01
¤z«n O3 0,01 48,00
TÊt c¶ chóng ta ®Òu biÕt kh«ng khÝ Èm ít v ngét ng¹t ra sao khi h m l îng
h¬i n íc cao v da chóng ta trë nªn kh« r¸p khi kh«ng khÝ kh«. MÆc dï cã rÊt
nhiÒu møc ®é tr¹ng th¸i vËt lý m chóng ta tr¶i nghiÖm ®Ó thÝch øng víi nh÷ng
biÕn thiªn h m l îng h¬i n íc, nh ng biªn ®é thùc cña h m l îng h¬i n íc l rÊt
cã giíi h¹n. GÇn bÒ mÆt Tr¸i §Êt, h m l îng h¬i n íc biÕn ®æi tõ mét phÇn cña 1 %
to n bé khÝ quyÓn trªn c¸c hoang m¹c v c¸c vïng cùc ®Õn kho¶ng 4 % ë c¸c vïng
nhiÖt ®íi. §iÒu n y cã nghÜa l tèi ®a chóng ta cã thÓ thÊy trong sè 100 ph©n tö
kh«ng khÝ cã 4 ph©n tö l h¬i n íc. (Bªn ngo i vïng nhiÖt ®íi, h m l îng h¬i n íc
th êng kh«ng v ît qu¸ 2 %). T¹i c¸c ®é cao lín h¬n, h¬i n íc thËm chÝ hiÕm h¬n,
th nh thö tû phÇn tæng céng cña h¬i n íc trong khèi l îng khÝ quyÓn l rÊt nhá.
MÆc dï l mét bé phËn t ¬ng ®èi nhá cña khÝ quyÓn, h¬i n íc cùc kú quan
träng. H¬i n íc kh«ng chØ l nguån Èm cÇn thiÕt ®Ó t¹o m©y, cßn l chÊt hÊp thô
rÊt hiÖu qu¶ n¨ng l îng do bÒ mÆt Tr¸i §Êt ph¸t x¹. (Chóng ta sÏ m« t¶ n¨ng
l îng bøc x¹ ë ch ¬ng sau). Kh¶ n¨ng hÊp thô n¨ng l îng nhiÖt cña Tr¸i §Êt l m
cho h¬i n íc trë th nh mét trong “c¸c chÊt khÝ nh kÝnh” m chóng ta sÏ b n luËn ë
ch ¬ng 3.
§iÒu cùc kú quan träng l ph¶i nhí r»ng h¬i n íc kh«ng gièng nh nh÷ng giät
http://www.ebook.edu.vn 15
- nhá li ti cña n íc láng. H¬i n íc tån t¹i nh nh÷ng ph©n tö chÊt khÝ riªng lÎ. Kh¸c
víi nh÷ng ph©n tö cña c¸c chÊt láng v chÊt r¾n, c¸c ph©n tö h¬i n íc kh«ng liªn
kÕt víi nhau. D íi gãc ®é ®ã h¬i n íc t ¬ng tù nh N2, O2 v c¸c chÊt khÝ khÝ quyÓn
kh¸c. Tuy nhiªn, kh«ng gièng nh nh÷ng chÊt khÝ kh¸c, h¬i n íc s½n s ng thay ®æi
pha th nh c¸c d¹ng láng v r¾n c¶ t¹i bÒ mÆt Tr¸i §Êt lÉn trong khÝ quyÓn.
MÆc dï h¬i n íc l mét chÊt khÝ trong suèt, nhiÒu hÖ thèng vÖ tinh cã thÓ ph¸t
hiÖn l îng h¬i n íc trong kh«ng khÝ v hiÓn thÞ h m l îng h¬i n íc biÕn thiªn trªn
¶nh (h×nh 1.3). Nh÷ng bøc ¶nh ®ã th êng cho thÊy nh÷ng biÕn ®æi lín trªn c¸c
kho¶ng c¸ch rÊt ng¾n, thËm chÝ lín h¬n so víi c¸c chÊt khÝ biÕn ®æi kh¸c. Nh÷ng
hiÓn thÞ ¶nh vÒ h m l îng h¬i n íc cã thÓ rÊt gi¸ trÞ ®èi víi c¸c nh dù b¸o, nh÷ng
ng êi sö dông ¶nh ®Ó x¸c ®Þnh c¸c s¬ ®å giã quy m« lín trong khÝ quyÓn tÇng trung
v tÇng cao. Nh÷ng bøc ¶nh cßn gióp c¸c nh khÝ t îng ph©n biÖt biªn giíi gi÷a
nh÷ng khèi kh«ng khÝ kÕ cËn.
(a) (b)
H×nh 1.3. CÆp ¶nh vÖ tinh dùa trªn mét hÖ thèng ph¸t hiÖn h¬i n íc (a) v
gi¶i ®o¸n ®Ønh m©y (b). L u ý r»ng mÆc dï hai s¬ ®å cã vÎ t ¬ng tù, song
¶nh h¬i n íc chØ ra mét ph©n bè Èm réng h¬n so víi ¶nh chØ ra m©y thùc tÕ
KhÝ cacbonic. Mét chÊt khÝ biÕn ®æi quan träng n÷a l ®i«xit cacbon, CO2.
Chóng ta kh«ng c¶m nhËn vËt lý ® îc nh÷ng biÕn ®æi l îng cacbonic trong khÝ
quyÓn nh víi h¬i n íc, nh ng nh c¸c b¹n sÏ s¾p thÊy sau ®©y, nh÷ng biÕn ®æi ®ã
kh«ng thÓ bá qua. T¨ng l îng cacbonic cña khÝ quyÓn cã thÓ cã nh÷ng hÖ qu¶ khÝ
hËu quan träng t¸c ®éng to lín tíi x· héi lo i ng êi.
KhÝ cacbonic hiÖn nay l m th nh 0,037 % khÝ quyÓn. Khi mét chÊt khÝ chiÕm tØ
phÇn nhá nh vËy trong khÝ quyÓn, chóng ta th êng biÓu diÔn h m l îng cña nã
b»ng phÇn triÖu thay v× phÇn tr¨m. VËy, nång ®é CO2 khÝ quyÓn hiÖn t¹i b»ng
kho¶ng 370 phÇn triÖu. Nã ® îc cung cÊp cho khÝ quyÓn qua sù h« hÊp cña thùc
®éng vËt, sù ph©n hñy vËt chÊt h÷u c¬, phun tr o nói löa, sù ch¸y tù nhiªn v
nh©n sinh (do con ng êi). Cacbonic bÞ mÊt khái khÝ quyÓn qua quang hîp, qu¸
tr×nh c©y xanh chuyÓn hãa n¨ng l îng ¸nh s¸ng th nh n¨ng l îng hãa häc. Quang
hîp sö dông ¸nh s¸ng MÆt Trêi ®Ó chuyÓn hãa n íc do rÔ c©y hÊp thô v cacbonic
tõ kh«ng khÝ th nh nh÷ng hîp chÊt hãa häc nh cacbohy®rat võa hç trî c¸c qu¸
tr×nh thùc vËt, võa nu«i sèng thÕ giíi ®éng vËt. Trong c¸c qu¸ tr×nh n y, nh÷ng
http://www.ebook.edu.vn
16
- ph©n tö «xy ® îc gi¶i phãng v o khÝ quyÓn nh s¶n phÈm phô (h·y xem chuyªn
môc 1-1: Tiªu ®iÓm m«i tr êng: Quang hîp, h« hÊp v cacbonic).
Trong nh÷ng thËp niªn gÇn ®©y, tèc ®é gia nhËp cacbonic v o khÝ quyÓn v ît
tréi tèc ®é mÊt, dÉn tíi sù gia t¨ng to n cÇu vÒ nång ®é. H×nh 1.4 vÏ ®å thÞ h m
l îng cacbonic theo sè liÖu cña § i quan tr¾c Mauna Loa. (LÊy ë ®é cao 3400 m
trªn quÇn ®¶o Hawaii, sè liÖu quan tr¾c cña Mauna Loa ® îc xem l ®¹i diÖn cho
B¾c b¸n cÇu). Tõ nh÷ng n¨m 1950, nång ®é CO2 ®· t¨ng víi tèc ®é kho¶ng 1,8 phÇn
triÖu mét n¨m. Qu¸ tr×nh t¨ng diÔn ra chñ yÕu do t¨ng ®èt nhiªn liÖu nh©n sinh v
ë møc ®é Ýt h¬n - sù t n ph¸ nh÷ng d¶i rõng réng lín (h×nh 1.5). Qu¸ tr×nh t¨ng ®·
g©y chó ý cña c¸c nh khoa häc v d luËn, bëi v× CO2 (gièng nh h¬i n íc) hÊp thô
rÊt hiÖu qu¶ bøc x¹ ph¸t ra tõ bÒ mÆt Tr¸i §Êt. T¨ng CO2 dù tÝnh tíi n¨m 2100 sÏ
gÊp ®«i møc cacbonic hiÖn t¹i v cã thÓ dÉn tíi hiÖn t îng líp khÝ quyÓn phÝa d íi
nãng lªn.
H×nh 1.4. H m l îng CO2 khÝ quyÓn t¨ng æn ®Þnh trong nöa thÕ kû gÇn ®©y do ho¹t ®éng nh©n
sinh. Sè liÖu tõ § i quan tr¾c Mauna Loa. DÊu chÊm chØ c¸c gi¸ trÞ trung b×nh th¸ng v thÓ hiÖn chu kú
mïa t¨ng v gi¶m thùc vËt. § êng l tr¬n øng víi c¸c gi¸ trÞ trung b×nh n¨m thÓ hiÖn xu thÕ d i h¹n
http://www.ebook.edu.vn 17
- H×nh 1.5. §èt rõng m a ë Guatemala. Sù ph¸ rõng bëi con ng êi gãp phÇn l m t¨ng
CO2 trong khÝ quyÓn, v× qu¸ tr×nh n y l m gi¶m l îng thùc vËt cã kh¶ n¨ng quang hîp
H×nh 1.4 kh«ng chØ biÓu diÔn sù t¨ng lªn tæng thÓ cña møc CO2 ë B¾c b¸n cÇu,
m cßn cho thÊy nh÷ng dao ®éng mïa. Cô thÓ, l îng cacbonic trong khÝ quyÓn l
cao nhÊt v o ®Çu mïa xu©n v thÊp nhÊt v o cuèi mïa hÌ. Cùc ®¹i mïa xu©n x¶y
ra v× trong mïa ®«ng thùc vËt ph¸t triÓn chËm, c©y sö dông Ýt CO2 tõ kh«ng khÝ.
Ngo i ra, l¸ c©y rông ph©n hñy suèt mïa ®«ng, l m cho cacbon trong l¸ c©y bÞ «xy
hãa th nh CO2 v nhËp v o kh«ng khÝ. Trong thêi kú ph¸t triÓn mïa hÌ, cacbon bÞ
lÊy ra khái khÝ quyÓn v do ®ã møc cacbonic gi¶m.
Víi mçi ph©n tö CO2 bÞ lÊy ra khái khÝ quyÓn bëi sù quang hîp, th× mét ph©n
tö O2 ® îc sinh ra. Tuy nhiªn, O2 khÝ quyÓn kh«ng biÓu hiÖn biÕn thiªn mïa, bëi v×
phÇn ®ãng gãp quang hîp l rÊt nhá so víi bÇu O2 khÝ quyÓn khæng lå. CO2 cã thêi
gian l u l¹i b»ng kho¶ng 150 n¨m.
Kh¸c víi quang hîp, h« hÊp diÔn ra trong
thêi gian c¶ ban ng y v ban ®ªm. Mét c¸
thÓ thùc vËt ph¶i “cè ®Þnh” lÊy cacbon v o
c¸c tÕ b o cña m×nh ®Ó lín lªn; ®Ó nhËn
1-1 Tiªu ®iÓm m«i tr êng: Quang hîp, h« l îng cacbon ®ã, tèc ®é quang hîp trong
hÊp v cacbonic thùc vËt ph¶i v ît tréi tèc ®é h« hÊp.
Nh vËy, trong suèt c¸c thêi kú ph¸t
NÕu nh kh«ng cã qu¸ tr×nh quang
triÓn thùc vËt, l îng cacbonic bÞ lÊy ra
hîp, Tr¸i §Êt cã thÓ ®· cã mét bÇu khÝ
khái kh«ng khÝ nhiÒu h¬n so víi l îng
quyÓn ho n to n kh¸c - v cã lÏ l kh«ng
® îc bæ sung nhê h« hÊp. Tuy nhiªn, sau
cã sù sèng nh chóng ta ®ang thÊy.
khi chÕt, thùc vËt kh«ng lÊy CO2 tõ
Th«ng qua quang hîp, thùc vËt sö dông
kh«ng khÝ n÷a. Ng îc l¹i, l îng cacbon
n¨ng l îng ¸nh s¸ng tõ MÆt Trêi ®Ó s¶n
tÝch lòy cña nã bÞ «xy hãa v gi¶i phãng
xuÊt thøc ¨n. V× nã ®ßi hái ¸nh s¸ng MÆt
trë l¹i v o khÝ quyÓn d íi d¹ng CO2 khi
Trêi, sù quang hîp chØ diÔn ra trong thêi
thùc vËt bÞ ph©n hñy. NÕu kh«ng diÔn ra
gian ban ng y. Nã cßn ®ßi hái chÊt diÖp
nh÷ng biÕn ®æi c¬ b¶n vÒ sè l îng v sù
lôc, mét hîp chÊt h÷u c¬ cã trong c©y l¸
ph©n bè c©y xanh, th× l îng tiªu thô CO2
xanh v mét sè c¬ thÓ ®¬n b o. Quang
(cho quang hîp) c©n b»ng víi l îng s¶n
hîp chuyÓn hãa n¨ng l îng MÆt Trêi,
xuÊt ra CO2 (tõ h« hÊp v ph©n hñy)
n íc v cacbonic th nh c¸c chÊt
trong vßng mét n¨m v tæng tr÷ l îng
cacbohy®rat ®¬n. Nh÷ng chÊt n y sau ®ã
CO2 khÝ quyÓn kh«ng bÞ ¶nh h ëng bëi sù
chuyÓn hãa th nh c¸c chÊt cabohy®rat
ph¸t triÓn cña thùc vËt.
phøc t¹p, tinh bét v ®¹m, tÊt c¶ c¸c chÊt
Tuy nhiªn, cã mét nh©n tè kh¸c ®iÒu
®ã cung cÊp cho thùc vËt nguyªn liÖu ®Ó
khiÓn sù c©n b»ng CO2. Trong mét sè
tù ph¸t triÓn, cßn thùc vËt vÒ phÇn m×nh
t×nh huèng, vËt liÖu thùc vËt chÕt bÞ
cung cÊp nh÷ng chÊt dinh d ìng c¬ b¶n
nhanh chãng ch«n vïi bªn d íi bÒ mÆt,
cho c¸c ®éng vËt ¨n cá.
kh«ng ph©n hñy v do ®ã kh«ng gi¶i
Ngo i sù quang hîp, mét qu¸ tr×nh
phãng cacbon m nã tÝch lòy trë l¹i khÝ
trao ®æi c¸c chÊt khÝ quan träng n÷a diÔn
quyÓn. Thay v× nh vËy, tr¶i qua h ng
ra th«ng qua l¸ c©y - ®ã l h« hÊp. H«
triÖu n¨m, vËt liÖu ® îc chuyÓn hãa
hÊp cung cÊp mét c¬ chÕ nhê ®ã thùc vËt th nh nhiªn liÖu hãa th¹ch nh dÇu má
nhËn «xy m chóng cÇn ®Ó thùc hiÖn c¸c hoÆc than ®¸, råi chóng ta lÊy ra tõ lßng
qu¸ tr×nh ®ång hãa. (§èi víi ®éng vËt, h« ®Êt v ®em ®èt ch¸y ®Ó thu nhiÖt l îng
hÊp ®ång nghÜa víi sù thë. MÆc dï thùc v n¨ng l îng, t¹o ra CO2 nh mét s¶n
vËt kh«ng cã phæi, chóng lÊy «xy qua l¸). phÈm ®èt ch¸y. Trong khi l m nh vËy,
http://www.ebook.edu.vn
18
- chóng ta gi¶i phãng l îng cacbon m lÏ n¨m 1990. §Ó cã sù r ng buéc ph¸p lý, kÕ
ra sÏ bÞ gi÷ l¹i d íi ®Êt vÜnh viÔn. MÆc dï ho¹ch kh«ng nh÷ng ph¶i ® îc ký kÕt bëi
chóng ta nãi vÒ “bæ sung” cho khÝ quyÓn, c¸c ®¹i diÖn cña nh÷ng n íc tham dù, m
nh ng cã lÏ chÝnh x¸c h¬n ph¶i nghÜ l cßn ph¶i ® îc phª chuÈn chÝnh thøc bëi
“tr¶ l¹i” cacbon vÒ víi khÝ quyÓn. Dï sao c¸c chÝnh phñ cña hä. Th¸ng 3 n¨m 2002
th× kÕt qu¶ ch¾c ch¾n sÏ l t¨ng CO2 khÝ Liªn minh ch©u ¢u chÝnh thøc phª chuÈn
hiÖp ®Þnh v nhiÒu quèc gia kh¸c kú väng
quyÓn víi nh÷ng hÖ qu¶ to n cÇu tiÒm
noi theo v o cuèi n¨m ®ã. Tuy nhiªn, sù
n¨ng.
phª chuÈn bëi Mü v Cana®a m·i tíi sau
NhËn thøc ® îc vai trß cña phô
th¸ng 4 n¨m 2002 míi ® îc ®¶m b¶o. ë
phÈm cña nhiªn liÖu hãa th¹ch ®èi víi sù
Mü, tæng thèng Bush ®· quyÕt ®Þnh ho·n
c©n b»ng cacbon cña khÝ quyÓn, 160 quèc
®Ö tr×nh hiÖp ®Þnh lªn H¹ viÖn phª chuÈn
gia trªn thÕ giíi ®· ®· häp mÆt ë Tokyo,
cho tíi khi c¸c n íc kÐm ph¸t triÓn cña
NhËt B¶n n¨m 1997 ®Ó chÝnh thøc tháa
thÕ giíi ®ång ý chÊp nhËn gi¶m th¶i CO2.
thuËn vÒ mét kÕ ho¹ch gi¶m ph¸t th¶i
Gièng nh vËy, chÝnh phñ Cana®a ®ang
CO2. Ng y 11 th¸ng 12 hä ®ång ý x¸c lËp
cè g¾ng ®Ó nhËn ® îc nh÷ng nh îng bé
gi¶m l îng môc tiªu ®èi víi c¸c n íc c«ng
nh»m gióp hä cã thÓ ®¸p øng môc tiªu
nghiÖp. Theo kÕ ho¹ch n y, vÒ trung b×nh
cña hä v thñ t íng Chrestien nãi r»ng
trong thêi kú 5 n¨m tõ 2008 ®Õn 2012
«ng muèn ®Ò xuÊt ® îc phª chuÈn “mét
phÇn lín c¸c n íc ph¸t triÓn sÏ tiÕt gi¶m
ng y n o ®ã”.
ph¸t th¶i CO2 tõ 6 ®Õn 8 % cña c¸c gi¸ trÞ
¤z«n. D¹ng «xy trong ®ã ba nguyªn tö O liªn kÕt víi nhau ®Ó t¹o th nh mét
ph©n tö ®¬n gäi l «z«n, O3. ChÊt n y cã phÇn n o ®ã rÊt kú l¹. Mét l îng nhá chÊt
n y tån t¹i trong líp khÝ quyÓn bªn trªn l¹i rÊt quan träng ®èi víi sù sèng trªn Tr¸i
§Êt; nh ng ë gÇn bÒ mÆt Tr¸i §Êt nã l mét hîp phÇn chÝnh cña « nhiÔm kh«ng
khÝ, g©y viªm phæi v m¾t v g©y tæn h¹i thùc vËt. May thay, «z«n chØ xuÊt hiÖn víi
nh÷ng l îng Ýt ái ë trong líp khÝ quyÓn thÊp, th nh thö thËm chÝ trong kh«ng khÝ
®« thÞ « nhiÔm nÆng, nång ®é cña nã còng chØ kho¶ng 0,15 phÇn triÖu (nghÜa l
trong sè 100 triÖu ph©n tö míi cã 15 ph©n tö «z«n). Ng îc l¹i, t¹i nh÷ng ®é cao 25
km, nång ®é «z«n cã thÓ b»ng 50 ®Õn 100 lÇn cao h¬n (tíi 15 phÇn triÖu).
¤z«n ë trong bé phËn cña líp khÝ quyÓn bªn trªn, gäi l b×nh l u quyÓn, v«
cïng quan träng ®èi víi sù sèng Tr¸i §Êt, bëi v× nã hÊp thô bøc x¹ cùc tÝm nguy
hiÓm tõ MÆt Trêi. T¹i sao «z«n thÊy nhiÒu h¬n trong b×nh l u quyÓn chø kh«ng
ph¶i t¹i bÒ mÆt Tr¸i §Êt? C©u tr¶ lêi rÊt phøc t¹p, v× cã h ng tr¨m ph¶n øng hãa
häc ®iÒu chØnh sè l îng «z«n. §Ó ®¬n gi¶n, cã thÓ nãi r»ng «z«n h×nh th nh khi «xy
nguyªn tö (O) va ch¹m víi «xy ph©n tö (O2). ¤xy nguyªn tö sinh ra ë c¸c tÇng rÊt
cao cña khÝ quyÓn, nh ng rÊt Ýt «z«n h×nh th nh, bëi v× mËt ®é kh«ng khÝ thÊp t¹i
nh÷ng ®é cao ®ã. ë gÇn bÒ mÆt Tr¸i §Êt h¬n (nh ng vÉn cßn cao trong khÝ quyÓn)
c¬ héi cho c¸c nguyªn tö O va ch¹m víi O2 cao h¬n, do ®ã gi¸ trÞ «z«n cao nhÊt ® îc
thÊy ë ®©y. Khi «z«n hÊp thô bøc x¹ cùc tÝm, nã ph©n t¸ch th nh c¸c hîp phÇn (O +
O2) v nh÷ng hîp phÇn n y l¹i kÕt hîp ®Ó h×nh th nh ph©n tö «z«n kh¸c. Th«ng
qua nh÷ng ph¶n øng ®ã, «z«n liªn tôc bÞ ph©n hñy v t¸i t¹o ®Ó cã ® îc nång ®é
kh«ng ®æi t ¬ng ®èi trong tÇng «z«n (xem chuyªn môc 1-2 Tiªu ®iÓm m«i tr êng:
Sù ph¸ hñy tÇng «z«n).
http://www.ebook.edu.vn 19
- th ëng mét gi¶i Nobel cho c«ng tr×nh cña
hä v o n¨m 1995.
1-2 Tiªu ®iÓm m«i tr êng: Sù ph¸ hñy tÇng
«z«n
N¨m 1972, c¸c nh hãa häc khÝ
quyÓn Sherwood Rowland v Mario
Molina, khi ®ã l m viÖc t¹i §¹i häc
California t¹i Irvine, cho r»ng mét sè hãa
chÊt nh©n t¹o ® îc gäi l c¸c chÊt chloro-
fluorocacbon (CFC), cã thÓ bÞ mang tù
nhiªn lªn b×nh l u quyÓn v ph¸ hñy H×nh 1. Lo¹t ¶nh vÖ tinh cho thÊy sù suy
gi¶m «z«n b×nh l u quyÓn trªn Nam Cùc
tÇng «z«n. CFC ® îc dïng réng r·i trong
l m l¹nh v ®iÒu hßa kh«ng khÝ, trong Sù ph¸ hñy «z«n nÆng nÒ nhÊt xuÊt
s¶n xuÊt h¹t chÊt dÎo v l m chÊt hßa hiÖn v o mçi th¸ng 10 (mïa xu©n ë Nam
tan trong c«ng nghiÖp ®iÖn tö. MÆc dï b¸n cÇu) v kÐo d i mét sè th¸ng. V× sao
ng y nay bÞ cÊm dïng ë Mü v Cana®a lç thñng «z«n thÊy ë phÝa trªn vßng Nam
l m nh÷ng chÊt bay h¬i trong c¸c b×nh cùc trong mïa xu©n? C©u tr¶ lêi kh¸
chøa son khÝ, nh ng chóng vÉn ® îc phøc t¹p, nh ng ë ®©y cã thÓ nªu ra
ng êi ta sö dông víi chøc n¨ng nh vËy ë nhiÒu nh©n tè. Tr íc hÕt, c¸c dßng kh«ng
®©u ®ã. khÝ bao quanh ch©u Nam Cùc l m c« lËp
BiÕt r»ng CFC kh«ng dÔ ph¶n øng khu vùc n y víi phÇn cßn l¹i cña b¸n cÇu,
víi nh÷ng ph©n tö kh¸c trong khÝ quyÓn th nh thö n¬i ®©y qu¸ tr×nh x¸o trén x¶y
thÊp, Rowland v Molina cho r»ng nh÷ng ra yÕu víi kh«ng khÝ giÇu «z«n tõ phÝa
ph©n tö n y cã thÓ ®¹t tíi b×nh l u quyÓn b¾c. Nh©n tè n÷a l tÝnh chÊt hãa häc
mét c¸ch nguyªn vÑn, n¬i ®©y chóng bÞ kh¸c th êng cña m©y t×m thÊy ë b×nh l u
ph©n r· v gi¶i phãng c¸c nguyªn tö clo quyÓn Nam Cùc. T¹i nhiÖt ®é rÊt thÊp
(Cl) tù do. Trong nh÷ng ho n c¶nh nhÊt n¬i ®©y, m©y th êng t¹o th nh tõ axit
®Þnh, c¸c nguyªn tö clo cã thÓ ph¸ hñy nit¬ric v n íc h¬n l b¨ng n íc b×nh
nh÷ng ph©n tö «z«n mét c¸ch h÷u hiÖu. th êng. C¸c qu¸ tr×nh th nh t¹o nh÷ng
Trong giai ®o¹n thø nhÊt cña qu¸ tr×nh m©y n y cho phÐp mét sè hîp phÇn clo
n y, mét nguyªn tö clo ph¶n øng víi mét tÝch lòy. Khi mïa ®«ng Nam Cùc ¶m ®¹m
ph©n tö «z«n ®Ó t¹o ra O2 v ®¬n «xit clo kÕt thóc, luång bøc x¹ cùc tÝm ph©n t¸ch
(ClO). Sau ®ã, mét nguyªn tö «xy (O) c¸c hîp phÇn ®ã ®Ó t¹o ra nh÷ng nguyªn
ph¶n øng víi ClO, t¹o ra mét ph©n tö O2 tö clo tù do (Cl). C¸c gèc Cl tù do n y s½n
kh¸c, ®ång thêi gi¶i phãng nguyªn tö clo s ng ph¸ hñy «z«n nh ®· m« t¶ ë trªn.
(Cl). L u ý r ng nguyªn tö clo lóc ®Çu Mét ph¸t hiÖn míi ®©y cho thÊy r»ng sù
ph¶n øng víi ph©n tö «z«n vÉn cßn hiÖn ph¸ hñy b¾t ®Çu ë r×a cña ch©u Nam Cùc,
diÖn v cã kh¶ n¨ng ph¶n øng mét lÇn n¬i ¸nh s¸ng MÆt Trêi xuÊt hiÖn tr íc
n÷a víi mét ph©n tö «z«n kh¸c. Thùc tÕ tiªn, råi tiÕn dÇn vÒ phÝa cùc. VËy sù ph¸
r»ng c¸c nguyªn tö clo kh«ng bÞ tiªu thô hñy b¾t ®Çu v o th¸ng 6 t¹i 65oS ®Õn cuèi
trong c¸c qu¸ tr×nh n y l m cho chóng cã th¸ng 8 t¹i 75oS. Chóng ta muèn nhÊn
thÓ l¹i ph¸ hñy c¸c ph©n tö «z«n lÆp ®i m¹nh r»ng th«ng th êng th× clo kh«ng
lÆp l¹i. ThËt vËy, mçi ph©n tö clo cã mÆt ph¶i l cã nhiÒu ë b×nh l u quyÓn Nam
cã thÓ lo¹i bá tíi kho¶ng 100 000 ph©n tö Cùc. VËy lo¹i clo n o tån t¹i d íi d¹ng cã
«z«n khái khÝ quyÓn. Lý thuyÕt cña kh¶ n¨ng ph¸ hñy «z«n l do nh÷ng ®iÒu
Rowland v Molina hiÖn ® îc chÊp nhËn kiÖn duy nhÊt diÔn ra trong thêi kú mïa
l ®óng v hai nh khoa häc ®· ® îc tÆng xu©n quyÕt ®Þnh (xem h×nh 1).
http://www.ebook.edu.vn
20
nguon tai.lieu . vn
