Xem mẫu
- Ch ¬ng 4
¸p suÊt khÝ quyÓn v giã
Giã cã thÓ g©y t¸c ®éng trùc tiÕp lªn c¶m gi¸c cña chóng ta kÓ c¶ trong ®iÒu
kiÖn thêi tiÕt dÞu nhÊt. Mét c¬n giã nhÑ cã thÓ l m cho mét buæi chiÒu nãng nùc trë
nªn dÔ chÞu h¬n, hoÆc nã cã thÓ l m cho mét ®ªm ®«ng trë th nh rÊt l¹nh. Nh ng
®«i khi, chuyÓn ®éng kh«ng khÝ cã thÓ t¸c ®éng tíi cuéc sèng chóng ta theo nh÷ng
c¸ch m¹nh mÏ h¬n nhiÒu. C d©n c¸c vïng phÝa ®«ng Washington v Oregon vÉn
nhí m·i vÒ ®iÒu n y v o ng y 25 th¸ng 9 n¨m 1999, khi Êy giã m¹nh tíi 135 km/giê
g©y nªn mét trËn b·o c¸t mï mÞt kÐo theo mét lo¹t tai häa. Trong ng y h«m Êy, 6
ng êi bÞ thiÖt m¹ng, 23 ng êi bÞ th ¬ng, nhiÒu ®o¹n ® êng cao tèc bÞ ngõng trÖ
ho n to n trong nhiÒu giê. §iÒu tåi tÖ nhÊt trong sè c¸c tai häa giao th«ng ®· x¶y
ra trªn xa lé liªn bang sè 84 ë vïng ®«ng b¾c Oregon. ¤ng gi 58 tuæi Harold Fell
®· diÔn t¶ l¹i tr¶i nghiÖm cña m×nh: “Mét chiÕc xe t¶i 18 b¸nh ®· lao vôt qua chóng
t«i v ®iÒu tiÕp sau m t«i ® îc biÕt l nã dõng s÷ng ngay gi÷a ® êng. Nã ®øng
sõng s÷ng ngay tr íc mÆt t«i”. Fell v vî «ng chØ bÞ th ¬ng nhÑ, nh ng ch¾c ch¾n
hä ph¶i thÊy m×nh ®· may m¾n l m sao khi ® îc chøng kiÕn c¶nh t îng tai häa v
nhËn ra 4 ng êi thiÖt m¹ng gi÷a ®èng vì vôn cña 16 chiÕc xe kh¸c bÞ dÝnh.
Dï l chóng ta thi tho¶ng cã quan t©m ®Õn t×nh h×nh giã, song Ýt ng êi trong
chóng ta chó ý nhiÒu tíi mét th nh tè rÊt liªn quan cña thêi tiÕt - ®ã l ¸p suÊt khÝ
quyÓn. Thö hái, ®· bao nhiªu lÇn b¹n hñy bá cuéc d· ngo¹i bëi ¸p suÊt rÊt thÊp?
Hay b¹n thÊy bao nhiªu ng êi cã quÇn ¸o chuyªn dông cho nh÷ng ng y ¸p cao?
MÆc dï hiÕm khi ® îc chó ý ®Õn trong cuéc sèng h ng ng y, nh ng ¸p suÊt
kh«ng khÝ ¶nh h ëng rÊt s©u s¾c tíi nh÷ng th«ng sè thêi tiÕt kh¸c cã t¸c ®éng mét
c¸ch trùc tiÕp h¬n nhiÒu. VÝ dô, nh÷ng biÕn thiªn theo ph ¬ng ngang cña ¸p suÊt
khÝ quyÓn l nguyªn nh©n trùc tiÕp cña chuyÓn ®éng giã. V bëi v× kh«ng khÝ gi¸ng
xuèng ë c¸c khu vùc ¸p suÊt bÒ mÆt cao v th¨ng lªn ë c¸c vïng ¸p suÊt bÒ mÆt
thÊp, nªn nh÷ng chªnh lÖch ¸p suÊt t¸c ®éng m¹nh tíi x¸c suÊt h×nh th nh m©y v
gi¸ng thñy.
Ch ¬ng n y giíi thiÖu nh÷ng kh¸i niÖm c¬ b¶n vÒ ¸p suÊt v ph©n bè ¸p suÊt
theo ph ¬ng th¼ng ®øng v ph ¬ng ngang. Chóng ta xem xÐt quan hÖ gi÷a ¸p suÊt
v nh÷ng tham sè khÝ quyÓn kh¸c, c¸c qu¸ tr×nh g©y nªn biÕn ®æi ¸p suÊt theo
ph ¬ng ngang v th¼ng ®øng. Trªn c¬ së n y, chóng ta cã thÓ tiÕn tíi xem xÐt c¸c
h×nh thÕ b·o ë nh÷ng ch ¬ng sau.
Kh¸i niÖm vÒ ¸p suÊt
KhÝ quyÓn chøa mét sè l îng lín c¸c ph©n tö khÝ bÞ l«i kÐo vÒ phÝa Tr¸i §Êt bëi
http://www.ebook.edu.vn 127
- lùc träng tr êng. C¸c ph©n tö n y t¸c ®éng mét lùc lªn tÊt c¶ c¸c bÒ mÆt m chóng
tiÕp xóc v phÇn lùc n y t¸c ®éng lªn mét ®¬n vÞ diÖn tÝch bÒ mÆt l ¸p suÊt (xem
chuyªn môc 4-1: Nh÷ng nguyªn lý vËt lý: VËn tèc, gia tèc, lùc v ¸p suÊt). TÊt
nhiªn, kh¸i niÖm ¸p suÊt kh«ng chØ liªn quan tíi khÝ t îng häc, m l c¬ së cña tÊt
c¶ c¸c khoa häc vËt lý. Trong hÇu hÕt c¸c øng dông khoa häc vËt lý, ®¬n vÞ chuÈn
cña ¸p suÊt l Pascal (Pa), nh ng ë Mü, c¸c nh khÝ t îng dïng milliba (mb), b»ng
100 Pa. C¸c nh khÝ t îng ë Cana®a l¹i sö dông mét ®¬n vÞ kh¸c - kil«pascal (kPa),
b»ng 1000 Pa, hay 10 mb. §Ó so s¸nh, ¸p suÊt t¹i mùc n íc biÓn ®iÓn h×nh b»ng
kho¶ng 1000 mb (100 kPa) – hoÆc chÝnh x¸c h¬n l 1013,2 mb.
H×nh 4.1. ChuyÓn ®éng cña c¸c ph©n tö kh«ng khÝ (biÓu diÔn b»ng c¸c chÊm víi nh÷ng mòi
tªn) trong mét hép chøa kÝn t¸c ®éng mét ¸p suÊt lªn c¸c th nh bªn trong (a). ¸p suÊt cã thÓ
t¨ng lªn b»ng c¸ch l m t¨ng mËt ®é c¸c ph©n tö (b) hoÆc l m t¨ng nhiÖt ®é (c). Tèc ®é cña
c¸c ph©n tö (v do ®ã nhiÖt ®é) ® îc biÓu diÔn b»ng møc ®é x¸m v ®é d i cña c¸c mòi tªn.
http://www.ebook.edu.vn
128
- §Ó hiÓu c¸c tÝnh chÊt cña ¸p suÊt, h·y xem h×nh 4.1 m« t¶ mét hép kh«ng khÝ
®ãng kÝn. C¸c ph©n tö khÝ bÞ giam kh«ng ngõng chuyÓn ®éng qua l¹i v t¸c ®éng
mét ¸p suÊt lªn th nh phÝa trong cña hép (a). ¸p suÊt kh«ng khÝ tû lÖ thuËn víi sè
lÇn va ch¹m gi÷a ph©n tö khÝ v th nh hép. Chóng ta cã thÓ l m t¨ng ¸p suÊt b»ng
hai c¸ch. C¸ch thø nhÊt l t¨ng mËt ®é kh«ng khÝ b»ng c¸ch b¬m kh«ng khÝ v o
hép hoÆc l m gi¶m thÓ tÝch hép (b). C¸ch thø hai l l m t¨ng nhiÖt ®é kh«ng khÝ,
trong tr êng hîp n y, c¸c ph©n tö khÝ t¸c ®éng ¸p suÊt lín h¬n v× chóng chuyÓn
®éng nhanh h¬n (c). Nh vËy, ¸p suÊt thÓ hiÖn c¶ mËt ®é v nhiÖt ®é cña chÊt khÝ.
NÕu kh«ng khÝ trong hép l mét hçn hîp c¸c chÊt khÝ (nh trong khÝ quyÓn),
mçi chÊt khÝ g©y ra l îng ¸p suÊt riªng cña nã, gäi l ¸p suÊt riªng phÇn. ¸p suÊt
tæng céng t¸c ®éng b»ng tæng cña c¸c ¸p suÊt riªng phÇn. Quan hÖ n y ® îc biÕt
®Õn nh l ®Þnh luËt Dalton.
Trªn Tr¸i §Êt, hép chøa ® îc bao quanh bëi khÝ quyÓn, nã t¹o ra ¸p suÊt lªn
th nh hép bªn ngo i. B©y giê, xem ®iÒu g× sÏ x¶y ra nÕu chóng ta më n¾p hép hoÆc
l m mét lç thñng ë c¹nh hép. NÕu ¸p suÊt ë bªn ngo i hép chøa lín h¬n ¸p suÊt ë
bªn trong, kh«ng khÝ bªn ngo i sÏ bÞ dån v o bªn trong cho ®Õn khi ¸p suÊt b»ng
nhau. (Lùc ®Ó t¹o c©n b»ng n y chÝnh l c¸i ®· t¹o ra tiÕng rÝt khi b¹n më mét hép
c phª ® îc rót ch©n kh«ng). MÆt kh¸c, nÕu nh ¸p suÊt ë bªn trong hép chøa lín
h¬n, kh«ng khÝ sÏ bÞ dån ra ngo i cho ®Õn khi ¸p suÊt bªn trong gi¶m ®Ó b»ng
kh«ng khÝ xung quanh. Trong c¶ hai tr êng hîp, trong kho¶nh kh¾c ¸p suÊt kh«ng
khÝ t¸c ®éng lªn phÝa ngo i cña hép chøa sÏ trë th nh ®óng b»ng ¸p suÊt ë bªn
trong. ThÝ dô n y dÉn ta ®Õn mét ®Æc ®iÓm kh¸c cña kh«ng khÝ: nã lu«n di chuyÓn
®Ó t¹o ra mét sù c©n b»ng gi÷a c¸c khu vùc ¸p suÊt cao v thÊp.
C¸i m chóng ta tr¶i nghiÖm ® îc nh l ¸p suÊt khÝ quyÓn thùc ra l khèi
l îng cña kh«ng khÝ ë bªn trªn chóng ta bÞ l«i kÐo xuèng phÝa d íi bëi träng lùc.
Nãi c¸ch kh¸c, ¸p suÊt t¹i ®iÓm n o ®ã ph¶n ¸nh khèi l îng khÝ quyÓn bªn trªn
®iÓm Êy. Khi chóng ta c ng ®i lªn cao trong khÝ quyÓn, khèi l îng khÝ quyÓn phÝa
trªn ph¶i gi¶m v ¸p suÊt còng ph¶i gi¶m. Chóng ta c¶m nhËn ® îc sù thay ®æi ®ã,
vÝ dô trong chiÕc thang m¸y ®i lªn nhanh, ë ®ã sù gi¶m ¸p suÊt cã thÓ dÉn ®Õn ï
tai. Nhí r»ng ¸p suÊt l biÕn duy nhÊt lu«n gi¶m theo ph ¬ng th¼ng ®øng trong sè
c¸c biÕn khÝ quyÓn. C¸c biÕn kh¸c (nh nhiÖt ®é, ®é Èm v mËt ®é) kh«ng nhÊt
thiÕt ph¶i diÔn biÕn nh vËy. MÆc dï thùc tÕ l khÝ quyÓn bÞ l«i cuèn xuèng phÝa
d íi bëi träng lùc, ¸p suÊt t¸c ®éng nh nhau trong tÊt c¶ c¸c h íng - lªn trªn,
xuèng d íi v sang ngang. H·y nhí l¹i tr êng hîp hép chøa ®ãng kÝn m chóng ta
võa m« t¶ víi ¸p suÊt bªn trong lín h¬n bªn ngo i. BÊt kÓ l hép chøa bÞ khoan lç
trªn mét c¹nh hép, ë ®¸y hép hay ë ®Ønh hép th× ¸p suÊt lín h¬n ë bªn trong vÉn
l m cho kh«ng khÝ bÞ ®Èy ra ngo i.
§©y l mét c¸ch kh¸c ®Ó nhËn ra thùc tÕ l ¸p suÊt kh«ng khÝ t¸c ®éng nh
nhau trong tÊt c¶ c¸c h íng. H·y gi÷ cho c¸nh tay b¹n th¼ng ngang. Kh«ng khÝ
®Èy lªn c¸nh tay b¹n, kh«ng chØ ®Èy xuèng phÝa d íi, cßn ®Èy däc theo c¸nh tay v
http://www.ebook.edu.vn 129
- ho n to n nh nhau ®Èy tõ phÝa d íi lªn. * NÕu nh ¸p suÊt chØ t¸c ®éng xuèng
d íi, träng l îng cña kh«ng khÝ sÏ lín ®Õn nçi thËm chÝ ng êi kháe nhÊt còng
kh«ng thÓ giang c¸nh tay ra ® îc. Träng l îng lín n y lín nh thÕ n o? Trong ®iÒu
kiÖn b×nh th êng t¹i mùc n íc biÓn, lùc n y b»ng 14,7 pao trªn mçi inch vu«ng –
®ã l mét t¶i träng rÊt nÆng ®èi víi mét c¸nh tay thËm chÝ ng¾n.
BiÕn thiªn ¸p suÊt theo ph ¬ng th¼ng ®øng v ph ¬ng ngang
§Ó hiÓu vÒ giã, chóng ta cÇn ®o v so s¸nh c¸c chªnh lÖch vÒ ¸p suÊt t¨ng t¹i
nh÷ng vÞ trÝ kh¸c nhau, bëi v× nh÷ng chªnh lÖch ®ã t¹o ra c¸c chuyÓn ®éng ph ¬ng
ngang cña kh«ng khÝ. Nh ng c«ng viÖc n y phøc t¹p do mét thùc tÕ l cao ®é thay
®æi tõ n¬i n y ®Õn n¬i kh¸c. (Nhí l¹i r»ng c¸c cao ®é lín cã ¸p suÊt thÊp, ®¬n gi¶n
v× ë ®ã kh«ng khÝ bªn trªn Ýt h¬n). NÕu chóng ta chØ dïng sè liÖu ®o bÒ mÆt ®Ó so
s¸nh, th× kh«ng thÓ ph©n t¸ch c¸c hiÖu øng cña cao ®é ra khái c¸c chªnh lÖch ¸p
suÊt g©y giã. §Ó kh¾c phôc vÊn ®Ò n y, c¸c nh khÝ t îng häc ®· dïng kh¸i niÖm
¸p suÊt mùc n íc biÓn.
¸p suÊt bÒ mÆt l ¸p suÊt thùc sù quan tr¾c ® îc t¹i mét vÞ trÝ cô thÓ, cßn ¸p
suÊt mùc biÓn l ¸p suÊt sÏ tån t¹i nÕu nh ®iÓm quan tr¾c n»m t¹i mùc n íc biÓn.
V× phÇn lín bÒ mÆt ®Êt ®Òu ë bªn trªn mùc biÓn, nªn ¸p suÊt bÒ mÆt th êng l thÊp
h¬n trong hai ¸p suÊt. VÝ dô, h·y so s¸nh c¸c ¸p suÊt bÒ mÆt t¹i ®Ønh nói cao v
thung lòng ngay bªn c¹nh trªn h×nh 4.2. MÆc dï khÝ quyÓn ph©n bè ®ång ®Òu trªn
vïng quan s¸t, ¸p suÊt bÒ mÆt t¹i vÞ trÝ nói nhá h¬n mét c¸ch ®¸ng kÓ so víi t¹i
thung lòng.
H×nh 4.2. Do ¸p suÊt khÝ quyÓn thÝch øng víi träng l îng cña khÝ quyÓn n»m bªn trªn, nªn nã
lu«n gi¶m theo cao ®é. ¸p suÊt ë ®Ønh nói P2 nhá h¬n ¸p suÊt ë ch©n nói P1 v× l îng kh«ng khÝ
n»m bªn trªn nhiÒu h¬n. V× vËy ph¶i ph©n biÖt ¸p suÊt kh«ng khÝ bÒ mÆt víi ¸p suÊt mùc biÓn
¸p suÊt mùc biÓn cho phÐp chóng ta so s¸nh ¸p suÊt t¹i nh÷ng vÞ trÝ kh¸c
¸p suÊt ë phÝa d íi c¸nh tay b¹n lín h¬n rÊt Ýt so víi ë phÝa trªn. §ã l v× ¸p suÊt lu«n
*
gi¶m theo ®é cao v ë phÝa trªn cña c¸nh tay b¹n chØ cao h¬n v i cm so víi phÝa d íi. Tuy
nhiªn, sù chªnh lÖch n y l rÊt nhá v cã thÓ bá qua trong vÝ dô n y.
http://www.ebook.edu.vn
130
- nhau, tÝnh ®Õn nh÷ng kh¸c biÖt vÒ cao ®é. §èi víi nh÷ng vÞ trÝ kh«ng qu¸ cao bªn
trªn mùc n íc biÓn, chóng ta cã thÓ cã ® îc chØ thÞ tèt vÒ ¸p suÊt mùc n íc biÓn
b»ng c¸ch gi¶ ®Þnh sù thay ®æi ®Òu cña ¸p suÊt theo cao ®é. VÝ dô, t¹i cao ®é 150 m,
ta céng thªm 14 mb v o ¸p suÊt bÒ mÆt ®Ó nhËn ® îc ¸p suÊt mùc n íc biÓn
(kho¶ng 1 mb t¨ng lªn cho tõng 10 m). Tuy nhiªn, ®èi víi nh÷ng n¬i víi cao ®é lín,
ph ¬ng ph¸p n y kh«ng tin cËy, v× chóng ta ph¶i tÝnh ®Õn sù nÐn cña khÝ quyÓn.
H×nh 4.3. Víi tõng 5,5 km ®é cao ¸p suÊt gi¶m kho¶ng mét nöa
Nh ®· thÊy ë h×nh 4.3, ¸p suÊt kh«ng gi¶m theo ®é cao víi mét tèc ®é ®Òu.
Ng îc l¹i, nã gi¶m nhanh nhÊt t¹i nh÷ng n¬i cao ®é thÊp v tõ tõ triÖt tiªu t¹i c¸c
®é cao lín. VÝ dô, tõ mùc biÓn ®Õn cao ®é 1 km ¸p suÊt trung b×nh gi¶m kho¶ng 100
mb, nh ng gi÷a 9 v 10 km ¸p suÊt gi¶m chØ víi tèc ®é b»ng mét nöa. Sù phi tuyÕn
tån t¹i l do, nh ta ®· biÕt, kh«ng khÝ bÞ nÐn. Do khèi l îng khÝ quyÓn ® îc nÐn
®Ëm ®Æc h¬n t¹i c¸c mùc thÊp, nªn mét thay ®æi cao ®é kh«ng lín t¹i c¸c mùc thÊp
l m cho b¹n ph¶i qua mét l îng khÝ quyÓn lín, dÉn tíi mét møc gi¶m ¸p suÊt lín.
MÆc dï nh÷ng chªnh lÖch ¸p suÊt theo ph ¬ng ngang cã thÓ l ®ñ ®Ó t¹o ra giã
m¹nh, nh ng nh ng chªnh lÖch ®ã rÊt nhá so víi nh÷ng chªnh lÖch theo ph ¬ng
th¼ng ®øng. VÝ dô, ¸p suÊt mùc biÓn l 1050 mb ® îc xem l rÊt cao, song nã chØ
lín h¬n trung b×nh to n cÇu 4 mb. H¬n n÷a, chªnh lÖch gi÷a ¸p suÊt mùc biÓn cao
nhÊt v thÊp nhÊt ë B¾c Mü trong mét ng y n o ®ã cã thÓ chØ ®¹t tíi kho¶ng 25 mb.
V thËm chÝ chªnh lÖch ¸p suÊt phÇn tr¨m nhá bÐ n y th êng cã thÓ ® îc ghi nhËn
http://www.ebook.edu.vn 131
- trªn mét kho¶ng c¸ch nhiÒu tr¨m km. Ng îc l¹i, ta chØ cÇn chÌo lªn ®Ønh cña mét
ngän ®åi khiªm tèn hoÆc tßa nh cao còng thÊy ® îc mét sù thay ®æi ¸p suÊt t ¬ng
® ¬ng nh vËy.
thay ®æi h íng theo thêi gian, ngay c¶
®èi víi mét vËt cã tèc ®é kh«ng thay ®æi.
4-1: Nh÷ng nguyªn lý vËt lý: Mét xe « t« ch¹y víi tèc ®é kh«ng ®æi
VËn tèc, gia tèc, lùc v ¸p suÊt nh ng tõ tõ quay h íng l ®ang cã mét
gia tèc, còng gièng nh mét xe « t« víi
tèc ®é thay ®æi.
Trong héi tho¹i th êng ng y chóng
Trong khÝ t îng häc cã mét gia tèc
ta hay nghe nh÷ng chuyªn tõ lùc v ¸p
®Æc biÖt rÊt quan träng - gia tèc träng
suÊt ® îc sö dông thay thÕ cho nhau, tr êng ( g ). Gia tèc n y b»ng 9,8 m/s/s,
còng gièng nh vËn tèc v tèc ®é th êng
nã gÇn nh kh«ng ®æi trªn to n Tr¸i
® îc xem nh ®ång nghÜa. Tuy nhiªn,
§Êt. g chØ gi¶m chót Ýt tõ xÝch ®¹o ®Õn
trong ng«n ng÷ khoa häc, viÖc lÉn lén gi÷a
cùc v g còng chØ kh¸c biÖt rÊt Ýt tõ bÒ
nh÷ng thuËt ng÷ n y cã thÓ dÉn tíi nhÇm
mÆt ®Õn líp trªn cña khÝ quyÓn. Tuy
lÉn lín. Chóng ta sÏ xem chóng kh¸c
nhiªn, trong ®a sè c¸c øng dông, nh÷ng
nhau nh thÕ n o.
biÕn thiªn ®ã cña g nhá, cho nªn cã thÓ
VËn tèc v gia tèc bá qua.
Mçi vËt n o ®ã chuyÓn ®éng cã tèc Lùc v ¸p suÊt
®é cô thÓ, ® îc ®Þnh nghÜa l kho¶ng c¸ch
Mét trong nh÷ng nguyªn lý quan
®i ® îc trong mét ®¬n vÞ thêi gian. Tèc ®é
träng nhÊt cña khoa häc vËt lý l ®Þnh
liªn quan ®Õn vËn tèc, nh ng kh«ng l
luËt thø hai cña Newton, nã liªn hÖ kh¸i
mét nh vËn tèc. VËn tèc g¾n liÒn víi
niÖm lùc (ký hiÖu l F ) víi khèi l îng
h íng chuyÓn ®éng còng nh tèc ®é. VÝ ( m ) v gia tèc ( a ). Cô thÓ, ®Þnh luËt thø
dô, h·y xÐt hai xe « t« ch¹y víi 20 m mét
hai cña Newton nãi r»ng gia tèc cña mét
gi©y, nh ng di chuyÓn theo hai h íng
vËt thÓ tû lÖ thuËn víi lùc t¸c ®éng lªn
ng îc nhau. MÆc dï chóng cã cïng tèc ®é,
nã v tû lÖ nghÞch víi khèi l îng cña nã.
nh ng c¸c vËn tèc cña chóng kh«ng b»ng
B»ng ký hiÖu, ®iÒu n y ® îc biÓu diÔn
nhau do c¸c h íng chuyÓn ®éng kh¸c
nh sau
nhau. Sù ph©n biÖt n y rÊt quan träng ®Ó
F
hiÓu ® îc mét ®¹i l îng tiÕp theo cña a= F = ma .
hoÆc
m′
chóng ta - gia tèc, sù thay ®æi vÒ vËn tèc
(kh«ng ph¶i tèc ®é) theo thêi gian. H·y h×nh dung mét xe t¶i 18 b¸nh
xe chÊt h ng nÆng dõng l¹i theo ®Ìn
Do vËn tèc gåm c¶ tèc ®é v h íng,
hiÖu ®á ngay sau mét xe ®¹p. Khi ®Ìn
sù thay ®æi hoÆc h íng hoÆc tèc ®é l gia
hiÖu chuyÓn sang m u xanh, c¶ hai b¾t
tèc. VÝ dô, xÐt mét xe « t« t¹i mét thêi
®Çu t¨ng tèc víi cïng c êng suÊt. DÔ
®iÓm ch¹y víi tèc ®é 20 m/s, mét gi©y sau
thÊy r»ng, nÕu nh c¶ hai duy tr× vÞ trÝ
chÝnh « t« ®ã cã tèc ®é 19 m/s; sau mét
liÒn nhau, th× xe t¶i nÆng nÒ h¬n nhiÒu
gi©y n÷a tèc ®é l 18 m/s v tiÕp tôc nh
sÏ ®ßi hái mét lùc lín h¬n (v “®éng c¬”
thÕ. Khi mçi gi©y qua ®i, tèc ®é cña xe
m¹nh h¬n). T ¬ng tù nh vËy, nÕu hai
gi¶m 1 m/s (l u ý r»ng gia tèc cã thÓ cã gi¸
vËt thÓ víi cïng khèi l îng chÞu c¸c lùc
trÞ d ¬ng hoÆc ©m nh trong thÝ dô n y).
kh¸c nhau, vËt n o chÞu lùc lín h¬n sÏ cã
Gia tèc còng cã thÓ x¶y ra nh khi cã
mét gia tèc lín h¬n.
http://www.ebook.edu.vn
132
- H×nh 1. Lùc h íng xuèng phÝa d íi cña khÝ quyÓn b»ng khèi l îng to n bé khÝ quyÓn
nh©n víi gia tèc träng tr êng. V× khèi l îng v gia tèc träng tr êng kh«ng ®æi theo thêi
gian, nªn lùc n y cña khÝ quyÓn kh«ng ®æi. ¸p suÊt ® îc x¸c ®Þnh b»ng lùc t¸c ®éng lªn
®¬n vÞ diÖn tÝch. Do ®ã, diÖn tÝch ® îc ®¸nh dÊu trªn h×nh chÞu mét ¸p suÊt nhÊt ®Þnh.
¸p suÊt biÕn ®æi do khèi l îng kh«ng khÝ ë bªn trªn biÕn ®æi theo vÞ trÝ v theo thêi gian
L u ý r»ng lùc F trong ph ¬ng tr×nh t ëng t îng mét triÖu thïng xe t¶i v
trªn l lùc thuÇn t¸c ®éng lªn vËt. NÕu c¸c mçi thïng chøa mét tû con voi). NÕu
lùc kh¸c nhau t¸c ®éng ®ång thêi, tÊt c¶ nh©n khèi l îng khÝ quyÓn víi gia tèc
c¸c lùc ® îc xem nh cïng quyÕt ®Þnh gia träng tr êng, ta x¸c ®Þnh ® îc lùc t¸c
tèc; ta ph¶i ®¸nh gi¸ c¶ ®é lín v h íng ®éng lªn khÝ quyÓn b»ng kho¶ng
19
cña mçi lùc. Nh sÏ thÊy víi tr êng hîp 5,0 × 10 N (1 newton (N) l ®¬n vÞ ®o lùc
nh÷ng giät n íc m a r¬i (ch ¬ng 7), c¸c cÇn ®Ó t¨ng tèc cho 1 kg vËt 1 m/s trong
lùc t¸c ®éng theo nh÷ng h íng ng îc mçi 1 gi©y).
nhau l m gi¶m lùc thuÇn v gia tèc kÕt
Lùc ®em chia cho diÖn tÝch m nã
qu¶, ®«i khi dÉn tíi gi¸ trÞ kh«ng.
t¸c ®éng lªn sÏ b»ng ¸p suÊt. VËy nÕu
Chóng ta ¸p dông ®Þnh luËt thø hai
chia lùc 5,0 × 10 19 N cho diÖn tÝch bÒ mÆt
cña Newton cho khÝ quyÓn. KhÝ quyÓn
Tr¸i §Êt, sÏ cho ta lùc trung b×nh trªn
chøa 5,14 × 10 18 kg khèi l îng. (§Ó h×nh
diÖn tÝch ®¬n vÞ, hay ¸p suÊt bÒ mÆt
dung 5,14 × 10 18 kg nÆng nh thÕ n o, ta sÏ trung b×nh b»ng kho¶ng 10,132 N/cm2.
http://www.ebook.edu.vn 133
- Gi¸ trÞ n y t ¬ng ® ¬ng 1013,2 mb, tån t¹i ë n¬i cét khÝ quyÓn chøa nhiÒu
hay gÇn 14,7 pao/ inch2. ph©n tö h¬n, cßn ¸p suÊt thÊp h¬n ® îc
thÊy ë n¬i chøa Ýt h¬n. Cßn vÊn ®Ò
Khi ®· ph©n biÖt gi÷a lùc v ¸p suÊt,
nh÷ng chªnh lÖch ¸p suÊt ®ã diÔn ra nh
b©y giê ta ®Æt c©u hái sù kh¸c biÖt ®ã thÓ
thÕ n o sÏ ® îc xÐt sau ë ch ¬ng n y;
hiÖn trong khÝ quyÓn nh thÕ n o. §¸p ¸n
lóc n y, ®iÓm quan träng l ¸p suÊt bÒ
l : mÆc dï tæng lùc cña khÝ quyÓn gÇn nh
mÆt ph¶n ¸nh khèi l îng cña khÝ quyÓn
kh«ng ®æi, c¸c chÊt khÝ kh«ng ph©n bè
ë bªn trong cét khÝ quyÓn nh trªn h×nh
®ång ®Òu trªn h nh tinh. ¸p suÊt cao h¬n
1 ®· cho thÊy.
Ph ¬ng tr×nh tr¹ng th¸i
Kinh nghiÖm h ng ng y cho biÕt r»ng c¸c chÊt khÝ cã xu thÕ në ra khi bÞ l m
nãng v trë nªn ®Ëm ®Æc h¬n khi bÞ l m l¹nh. §iÒu n y m¸ch b¶o r»ng nhiÖt ®é,
mËt ®é v ¸p suÊt liªn hÖ víi nhau. Thùc tÕ th× mèi quan hÖ gi÷a chóng rÊt ®¬n
gi¶n. Nã ® îc m« t¶ b»ng ph ¬ng tr×nh tr¹ng th¸i (cßn gäi l ®Þnh luËt chÊt khÝ lý
t ëng)
p = ρ RT ,
trong ®ã p l ¸p suÊt biÓu diÔn b»ng Pascal, ρ l mËt ®é b»ng kg/m3, R l h»ng sè
b»ng 287 J/(kg.K) v T l nhiÖt ®é (K). Ph ¬ng tr×nh n y ® îc diÔn ®¹t nh sau:
nÕu mËt ®é kh«ng khÝ t¨ng trong khi nhiÖt ®é kh«ng ®æi, th× ¸p suÊt sÏ t¨ng. T ¬ng
tù, khi mËt ®é kh«ng ®æi, t¨ng nhiÖt ®é dÉn ®Õn t¨ng ¸p suÊt.
VÊn ®Ò n y dÉn ®Õn mét sù nhÇm lÉn phæ biÕn. Trong c«ng chóng (v mét sè
sinh viªn) th êng cã thãi quen t×m kiÕm mét mèi liªn hÖ gi¶n ®¬n gi÷a nhiÖt ®é v
¸p suÊt. Chóng ta cã thÓ nghe nãi “¸p suÊt ®ang gi¶m, trêi sÏ trë rÐt”, hoÆc l “trêi
nãng – ch¾c ch¾n ¸p suÊt sÏ cao”. Nh ng ph ¬ng tr×nh tr¹ng th¸i nãi r»ng nh÷ng
ph¸t biÓu m¬ hå nh thÕ kh«ng ®óng. Mét biÕn thø ba, mËt ®é, cã thÓ ®¶o lén
nh÷ng thay ®æi cña hai biÕn kia. VÝ dô, trªn c¸c ®ång b»ng cña B¾c Mü, ¸p suÊt cao
tiÕp sau mét trËn b·o mïa ®«ng th êng mang theo nhiÖt ®é l¹nh cãng, chø kh«ng
ph¶i c¸i Êm ¸p dÔ chÞu. MÆc dï l tr¸i ng îc ®èi víi linh nghiÖm cña mét sè ng êi,
song hiÖn t îng nh vËy l ho n to n phï hîp ph ¬ng tr×nh tr¹ng th¸i.
§o ¸p suÊt
Dông cô ®o ¸p suÊt ® îc gäi l ¸p kÕ. Hai lo¹i ¸p kÕ ® îc sö dông phæ biÕn
nhÊt trong quan tr¾c th«ng th êng: mét lo¹i cÊu t¹o tõ mét èng tuýp cã chøa mét
phÇn thñy ng©n v lo¹i thø hai sö dông c¸c hép khoang xÕp.
¸p kÕ thñy ng©n
Dông cô tiªu chuÈn ®Ó ®o ¸p suÊt l ¸p kÕ thñy ng©n (h×nh 4.4), s¸ng chÕ cña
Evangelista Torricelli n¨m 1643. §ã l mét dông cô ®¬n gi¶n chÕ t¹o b»ng c¸ch cho
thñy ng©n v o trong mét èng tuýp d i v sau ®ã ®¶o ng îc ®Çu tuýp ®Ó thñy ng©n
ch¶y v o mét bÇu chøa. MÆc dï èng tuýp ® îc ®¶o ®Çu, nã vÉn kh«ng rçng. Ng îc
l¹i, kh«ng khÝ tuån xuèng phÝa d íi ®Õn bÇu chøa thñy ng©n v l m cho mét phÇn
thñy ng©n næi lªn phÝa trªn v o trong èng tuýp. ¸p suÊt kh«ng khÝ c ng lín, th× cét
http://www.ebook.edu.vn
134
- thñy ng©n c ng cao.
¸p suÊt cña ¸p kÕ th êng ® îc biÓu diÔn b»ng ®é
cao cña cét thñy ng©n trong mét ¸p kÕ, t¹i mùc biÓn
®é cao ®ã vÒ trung b×nh l 76 cm (29,92 inch). Tuy
nhiªn, phÐp ®o n y kh«ng phï hîp víi kh¸i niÖm vÒ
¸p suÊt, bëi v× ¸p suÊt kh«ng cã ®¬n vÞ cña ®é d i. Nãi
c¸ch kh¸c, biÓu diÔn ¸p suÊt cña ¸p kÕ b»ng cm hoÆc
inch còng ngí ngÈn nh nãi tuæi cña ai ®ã b»ng “30
dÆm/giê” hay c©n nÆng l “1,99 ®« la”!. C¸c sè ®o ®é
d i tõ mét ¸p kÕ chØ l ph¶n øng cña ¸p kÕ ®ã ®èi víi
¸p suÊt khÝ quyÓn, chø kh«ng ph¶i gi¸ trÞ quan tr¾c
¸p suÊt trùc tiÕp. C¸c nh khÝ t îng häc a dïng mét
®¬n vÞ sao cho ®o ® îc lùc t¸c ®éng trªn diÖn tÝch ®¬n
vÞ, nh pao/inch2 hoÆc milliba. C¸c c«ng thøc ®¬n
gi¶n ®Ó chuyÓn ®æi ®é cao ¸p kÕ sang milliba l :
1 cm = 13,32 mb
v 1 inch = 33,865 mb. H×nh 4.4. ¸p kÕ thñy ng©n
Thñy ng©n l chÊt láng rÊt chuÈn ®Ó dïng trong ¸p kÕ v× nã rÊt nÆng, víi mËt
®é 13,6 lÇn lín h¬n mËt ®é n íc. §Æc ®iÓm n y cho phÐp ®iÒu chØnh ® îc kÝch th íc
cña dông cô. NÕu sö dông n íc thay v× thñy ng©n, th× cét n íc ph¶i cao chõng 10 m
®Ó cã thÓ c©n b»ng víi träng l îng cña khÝ quyÓn. MÆt kh¸c, mÆc dï mét ¸p kÕ
chøa n íc cao b»ng tßa nh 3 tÇng cã thÓ l kh«ng gän nhÑ, song nã cã kh¶ n¨ng ®o
rÊt chÝnh x¸c, bëi v× nh÷ng biÕn ®æi nhá cña ¸p suÊt sÏ ® îc chuyÓn ®æi th nh
nh÷ng biÕn ®æi lín vÒ ®é cao.
HiÖu chØnh c¸c sè ®o cña ¸p kÕ thñy ng©n
Mét trong c¸c c«ng cô quan träng cña nh khÝ t îng häc l b¶n ®å thêi tiÕt,
ngo i mét sè thø kh¸c, trong b¶n ®å n y biÓu diÔn ph©n bè ¸p suÊt trªn bÒ mÆt.
Tuy nhiªn, tr íc khi sè liÖu ¸p kÕ ® îc dïng trªn b¶n ®å, ph¶i thùc hiÖn ba hiÖu
chØnh ®Ó lo¹i trõ nh÷ng nh©n tè ®Þa ph ¬ng ¶nh h ëng tíi c¸c sè ®o.
HiÖu chØnh thø nhÊt lo¹i trõ ¶nh h ëng cña cao ®é chóng ta m« t¶ tr íc ®©y
trong ch ¬ng n y. NÕu nh c¸c gi¸ trÞ ¸p suÊt bÒ mÆt ® îc vÏ trªn c¸c b¶n ®å thêi
tiÕt, chóng sÏ cho mét biÓu diÔn sai vÒ ph©n bè cña khÝ quyÓn. Nguyªn do l c¸c cao
®é cao th× cã c¸c ¸p suÊt bÒ mÆt thÊp h¬n so víi c¸c cao ®é thÊp, ngay c¶ khi ¸p suÊt
mùc biÓn l nh nhau. §Ó quy chuÈn c¸c sè liÖu quan tr¾c, chóng ta ph¶i chuyÓn
®æi sè ®o ¸p suÊt bÒ mÆt vÒ c¸c gi¸ trÞ t¹i mùc n íc biÓn. §èi víi mét tr¹m quan
tr¾c n»m ë ®é cao 100 m trªn mùc biÓn, ph¶i céng thªm kho¶ng 1 cm, t ¬ng øng víi
kho¶ng 13 mb. T¹i c¸c cao ®é lín h¬n, cÇn ph¶i cã hiÖu chØnh lín h¬n. Ch¼ng h¹n,
t¹i Denver, Colorado (gäi l “Th nh phè cao 1 dÆm”), sè hiÖu chØnh b»ng kho¶ng 16
cm hay 213 mb.
HiÖu chØnh thø hai liªn quan tíi sù gièng nhau gi÷a ¸p kÕ thñy ng©n v nhiÖt
kÕ. V× thñy ng©n trong nhiÖt kÕ gi·n në khi nhiÖt ®é t¨ng, thñy ng©n trong ¸p kÕ
http://www.ebook.edu.vn 135
- còng nh vËy. Sù gi·n në l m gi¶m mËt ®é cña chÊt láng v ®ßi hái nã ®¹t tíi mét
®é cao lín h¬n ®Ó bï l¹i träng l îng khÝ quyÓn. Nãi c¸ch kh¸c, v o ng y nãng ®é cao
cña cét thñy ng©n cao h¬n ng y l¹nh, ngay c¶ khi ¸p suÊt khÝ quyÓn nh nhau. V×
lý do n y, nªn c¸c ¸p kÕ thñy ng©n lu«n cã mét nhiÖt kÕ g¾n kÌm theo ®Ó x¸c ®Þnh
nhiÖt ®é cña dông cô, cßn b¶ng hiÖu chØnh cho chóng ta biÕt ®é cao cña cét thñy
ng©n ph¶i b»ng bao nhiªu nÕu nh nhiÖt ®é b»ng gi¸ trÞ chuÈn 0 oC (32 oF). T¹i
nhiÖt ®é chuÈn trong phßng, hiÖu chØnh n y nhá, chØ cÇn trõ bít kho¶ng 2,5 mm.
HiÖu chØnh thø ba tÝnh ®Õn gia tèc träng tr êng biÕn thiªn nhÑ theo vÜ ®é. §Ó
chuÈn hãa c¸c sè ®o tõ tÊt c¶ c¸c vÜ ®é, chóng ta quy ®æi chóng vÒ gi¸ trÞ m chóng
ph¶i cã nÕu nh träng lùc ®Þa ph ¬ng b»ng träng lùc t¹i 45o vÜ nam hoÆc b¾c, hay
b»ng trung b×nh gi÷a xÝch ®¹o v c¸c cùc. Tuy nhiªn, nh÷ng biÕn thiªn träng lùc
theo vÜ ®é l nhá v c¸c hiÖu chØnh th êng cã cì 0,25 mm.
nhÊt qu¸n, ta sÏ gi¶ ®Þnh r»ng ¸p suÊt l
100 000 Pa (1000 mb; 100 kPa) trong c¶
4-2: Nh÷ng nguyªn lý vËt lý: hai t×nh huèng.
C¸c biÕn thiªn cña mËt ®é
¸p dông ph ¬ng tr×nh tr¹ng th¸i
cho ng y Êm, ta t×m ® îc mËt ®é kh«ng
Cã lÏ b¹n tõng ph©n v©n kh«ng khÝ
khÝ b»ng
nÆng bao nhiªu. Kh«ng khÝ xung quanh
100000 Pa
b¹n cã mËt ®é riªng v mçi thÓ tÝch kh«ng 3
ρ= = 1,13 kg/m *.
−1 −1
khÝ bÊt kú chøa mét khèi l îng nhÊt ®Þnh. 287 J kg K × 308 K
Nh÷ng biÕn thiªn vÒ mËt ®é kh«ng khÝ
Khi ta h¹ nhiÖt ®é kh«ng khÝ xuèng
g©y nªn nhiÒu hiÖn t îng h ng ng y. VÝ
®Õn 278 K (5 oC hay 41 oF), ph ¬ng tr×nh
dô, mËt ®é cña khÝ quyÓn ¶nh h ëng tíi
cho mËt ®é kh«ng khÝ b»ng
mét m¸y bay ph¶i ch¹y lÊy ® bao xa khi
100000 Pa
nã t¨ng tèc trªn ® êng b¨ng ®Ó chuÈn bÞ 3
ρ= = 1,25 kg/m .
−1 −1
cÊt c¸nh. T ¬ng tù, c¸c m¸y phun nhiªn 287 J kg K × 278 K
liÖu « t« ph¶i tÝnh ®Õn biÕn thiªn mËt ®é
MËt ®é n y gÇn 11% lín h¬n mËt ®é
®Ó cung cÊp hçn hîp x¨ng v kh«ng khÝ
kh«ng khÝ ë ng y Êm h¬n – mét l îng
phï hîp v o ®éng c¬ xe. MËt ®é kh«ng khÝ
®¸ng kÓ.
thËm chÝ cã thÓ ¶nh h ëng tíi l îng c¶n
Ngo i nhiÖt ®é v ¸p suÊt, ®é Èm
cña kh«ng khÝ lªn mét tr¸i bãng ch y, do
cña kh«ng khÝ còng cã ¶nh h ëng (dï rÊt
®ã, tíi kho¶ng c¸ch bay cña tr¸i bãng.
nhá) tíi mËt ®é. Ta sÏ xem nh thÕ n o.
Nh ng biÕn thiªn mËt ®é cã thùc sù
Ph©n tö «xy (O2) v Nit¬ (N2) l m th nh
®¸ng kÓ hay kh«ng? Chóng ta cã thÓ dïng
phÇn lín khèi l îng cña khÝ quyÓn v
ph ¬ng tr×nh tr¹ng th¸i ®Ó thÊy mét c¸ch
tån t¹i ë mét tû phÇn kh«ng ®æi. C¸c hîp
chÝnh x¸c nh÷ng biÕn thiªn nhiÖt ®é ¶nh
phÇn kh¸c, Ýt h¬n cña khÝ quyÓn cã mÆt
h ëng tíi mËt ®é kh«ng khÝ nh thÕ n o.
víi nh÷ng l îng kh¸c nhau t¹i c¸c vÞ trÝ
Muèn vËy, tr íc hÕt ta s¾p xÕp l¹i ph ¬ng
v thêi gian kh¸c nhau, v do mçi hîp
tr×nh ®ã nh sau:
phÇn cã ph©n tö l îng riªng cña m×nh
ρ = p / RT .
(thÓ hiÖn cña khèi l îng t ¬ng ®èi cña
B©y giê so s¸nh mËt ®é kh«ng khÝ trong c¸c ph©n tö), h m l îng t ¬ng ®èi cña
hai tr êng hîp: mét ng y Êm víi nhiÖt ®é chóng cã thÓ ¶nh h ëng nhÑ tíi mËt ®é
308 K (35 oC hay 95 oF) v mét ng y l¹nh cña khÝ quyÓn. Trong sè c¸c chÊt khÝ ®ã,
víi nhiÖt ®é 278 K (5 oC hay 41 oF). §Ó cho h¬i n íc th êng chiÕm kho¶ng 1 % khèi
http://www.ebook.edu.vn
136
- l îng kh«ng khÝ. Theo linh tÝnh, chóng ta Nh÷ng biÕn thiªn ®é Èm quan träng
cã thÓ cho r»ng ®é Èm lín h¬n sÏ l m cho nh thÕ n o ®èi víi mËt ®é khÝ quyÓn?
khÝ quyÓn ®Ëm ®Æc h¬n. Sù thËt th× ®iÒu B¹n cã thÓ kú väng r»ng v× l îng h¬i
ng îc l¹i míi ®óng. n íc trong khÝ quyÓn nhá, nªn nh÷ng
biÕn thiªn l kh«ng ®¸ng kÓ, v cã thÓ l
H·y so s¸nh khèi l îng chøa trong
b¹n nghÜ ®óng. ViÖc s¸t nhËp hÖ qu¶ cña
c¸c ph©n tö riªng rÏ cña h¬i n íc v cña
h m l îng Èm biÕn thiªn sÏ ®ßi hái ph¶i
c¸c chÊt khÝ khÝ quyÓn phong phó nhÊt.
thay ®æi chót Ýt ®èi víi ph ¬ng tr×nh
Träng l îng ph©n tö nit¬ v «xy lÇn l ît
tr¹ng th¸i. C¸c tÝnh to¸n sö dông c«ng
l 28,01 v 32,00 v träng l îng trung
thøc ®· ®iÒu chØnh cho thÊy r»ng ë nhiÖt
b×nh cña khÝ quyÓn kh« l 28,5. MÆt kh¸c,
®é 15 oC (59 oF), mËt ®é kh«ng khÝ chØ
h¬i n íc cã träng l îng ph©n tö chØ l
chªnh lÖch 0,6 % khi t¨ng 1 % h¬i n íc
18,01. Do ®ã, nÕu tû phÇn kh«ng khÝ chøa
(tõ kh«ng khÝ kh« ®Õn 1% h¬i n íc).
h¬i n íc t¨ng, th× ph¶i kÐo theo sù suy
_________________
gi¶m vÒ träng l îng trung b×nh cña khÝ *
§Ó c©n b»ng c¸c ®¬n vÞ ®o, ph¶i chuyÓn c¸c
quyÓn. Nãi c¸ch kh¸c, nÕu mäi thø kh¸c l
®¬n vÞ pascal (Pa) v jun (J) vÒ thø nguyªn c¬
nh nhau, th× kh«ng khÝ Èm sÏ Ýt ®Ëm ®Æc −1 −2 2 −2
b¶n: Pa = kg m s J = kgm s
v .
h¬n, “nhÑ” h¬n kh«ng khÝ kh«.
¸p kÕ hép
C¸c ¸p kÕ thñy ng©n l nh÷ng dông cô cã ®é chÝnh x¸c cao, nh ng còng ®¾t
tiÒn v kh«ng thuËn tiÖn khi di chuyÓn. Mét dông cô thay thÕ kh¸c ®Ó quan tr¾c ¸p
suÊt l ¸p kÕ hép (aneroid barometer - cã nghÜa l “kh«ng dïng chÊt láng”) (h×nh
4.5a). ¸p kÕ hép t ¬ng ®èi rÎ tiÒn v cã thÓ còng chÝnh x¸c. Nã bao gåm mét hép cã
thÓ co gi·n, tõ ®ã mét phÇn kh«ng khÝ bÞ lo¹i bá (b). Träng l îng cña khÝ quyÓn t¸c
®éng lªn hép v nÐn chóng víi mét l îng tû lÖ thuËn víi ¸p suÊt kh«ng khÝ. Mét
thiÕt bÞ con trá kÕt nèi mét c¬ cÊu ®ßn bÈy v chØ thÞ ¸p suÊt kh«ng khÝ.
H×nh 4.5. ¸p kÕ hép (a) v c¬ chÕ vËn h nh (b), ¸p ký (c)
¸p kÕ hép, th êng ® îc ®Æt trong nh , ph¶i ® îc hiÖu chuÈn ë lÇn l¾p ®Æt ®Çu
tiªn. Ng êi dïng chØ cÇn biÕt ¸p suÊt mùc biÓn hiÖn t¹i v c i ®Æt thiÕt bÞ b»ng c¸ch
vÆn nót chØnh ë mÆt sau cña vá m¸y. Do kh«ng cã chÊt láng gi·n në trong ¸p kÕ
hép, nªn dông cô n y kh«ng ®ßi hái hiÖu chØnh nhiÖt ®é. Ngo i ra, c¸c hiÖu øng cña
cao ®é v vÜ ®é ®· ® îc tÝnh ®Õn khi thiÕt bÞ n y ® îc hiÖu chuÈn lÇn ®Çu. Do ®ã,
http://www.ebook.edu.vn 137
- mét khi ®· hiÖu chuÈn, ¸p kÕ hép cho ta ¸p suÊt mùc biÓn kh«ng cÇn nh÷ng hiÖu
chØnh v quy ®æi.
§«i khi ta cÇn ghi ¸p suÊt liªn tôc trong thêi gian. Nh÷ng c¬ cÊu ¸p kÕ biÓu
diÔn c¸c gi¸ trÞ liªn tôc cña ¸p suÊt ® îc gäi l c¸c ¸p ký (h×nh 4.5c). Mét trèng
xoay (th êng ®Æt chÕ ®é xoay mét vßng mçi tuÇn) l m xoay b¨ng giÊy ®Ó ngßi bót vÏ
nªn ®å thÞ cña ¸p suÊt biÕn ®æi.
Sù ph©n bè ¸p suÊt
Ph©n bè ¸p suÊt mùc biÓn trªn Tr¸i §Êt l ®Æc tr ng cùc kú quan träng v biÕn
thiªn m¹nh cña khÝ quyÓn. §Ó hiÓn thÞ trùc quan sù ph©n bè ¸p suÊt, c¸c nh khÝ
t îng häc vÏ nh÷ng ® êng gäi l c¸c ® êng ®¼ng ¸p trªn c¸c b¶n ®å thêi tiÕt.
H×nh 4-6. Mét b¶n ®å thêi tiÕt biÓu diÔn ph©n bè ¸p suÊt mùc biÓn ng y 4-3-1994. L u ý ¸p
suÊt t ¬ng ®èi thÊp ë vïng ®«ng b¾c n íc Mü v phÝa ®«ng Cana®a, vïng ¸p suÊt cao nhÊt
v vïng ¸p suÊt thÊp nhÊt trªn b¶n ®å chØ chªnh lÖch víi nhau trong ph¹m vi kho¶ng 4 %
Mçi ® êng ®¼ng ¸p ® îc vÏ sao cho nã nèi c¸c ®iÓm cã cïng ¸p suÊt mùc biÓn
nh nhau v nh÷ng vÞ trÝ n»m gi÷a hai ® êng ®¼ng ¸p cã ¸p suÊt n»m gi÷a c¸c gi¸
trÞ ghi trªn hai ® êng ®¼ng ¸p. C¸c ® êng ®¼ng ¸p ® îc vÏ víi kho¶ng c¸ch 4 mb
trªn b¶n ®å thêi tiÕt bÒ mÆt cña Mü, nªn chªnh lÖch ¸p suÊt gi÷a hai ® êng ®¼ng
¸p liÒn nhau sÏ nh nhau ë kh¾p n¬i trªn b¶n ®å. ¦u ®iÓm cña viÖc n y l ë chç
kho¶ng c¸ch gi÷a c¸c ® êng ®¼ng ¸p kÕ cËn cung cÊp th«ng tin vÒ ¸p suÊt thay ®æi
nhanh nh thÕ n o tõ n¬i n y ®Õn n¬i kh¸c. Nãi kh¸c ®i, kho¶ng c¸ch gi÷a c¸c
® êng ®¼ng ¸p chØ ra ®é lín cña gra®ien ¸p suÊt, hay tèc ®é biÕn ®æi ¸p suÊt,
gièng nh kho¶ng c¸ch gi÷a c¸c ® êng ®¼ng nhiÖt thÓ hiÖn c¸c gradien nhiÖt ®é. Sù
http://www.ebook.edu.vn
138
- tËp trung d y xÝt c¸c ® êng ®¼ng ¸p cho thÊy mét gra®ien ¸p suÊt ®ét biÕn (¸p suÊt
biÕn ®æi nhanh theo kho¶ng c¸ch), cßn c¸c ® êng ®¼ng ¸p th a thít cho thÊy mét
gra®ien nhá.
H×nh 4.6 biÓu diÔn ph©n bè ¸p suÊt mùc biÓn diÔn ra trong ng y 4-3-1994. ¸p
suÊt trªn vïng New England v phÇn ®«ng nam cña Cana®a thÊp h¬n phÇn phÝa
t©y v gra®ien ¸p suÊt lín ® îc thÊy ë phÇn phÝa ®«ng cña B¾c Mü.
Gra®ien ¸p suÊt
Gra®ien ¸p suÊt t¹o ra lùc ®Èy cho chuyÓn ®éng cña kh«ng khÝ m chóng ta gäi
l giã. H·y t ëng t îng hai ng êi ®ang ®Èy nhau. Ng êi t¸c ®éng lùc lín h¬n sÏ
®Èy ng êi kia lïi l¹i v chªnh lÖch c¸c lùc t¸c ®éng c ng lín th× ng êi bÞ ®Èy sÏ di
chuyÓn c ng nhanh. Quan niÖm n y còng ¸p dông ®èi víi kh«ng khÝ. NÕu kh«ng
khÝ trªn mét khu vùc t¹o ra mét ¸p suÊt lín h¬n so víi kh«ng khÝ trªn mét vïng l©n
cËn, th× kh«ng khÝ víi ¸p suÊt cao sÏ lan táa ra xung quanh h íng tíi vïng ¸p suÊt
thÊp h¬n v t¹o th nh giã. Gra®ien ¸p suÊt t¹o ra mét lùc, gäi l lùc gra®ien ¸p
suÊt, nã l m cho kh«ng khÝ chuyÓn ®éng. Víi c¸c gra®ien ¸p suÊt ® îc ®o t¹i ®é cao
kh«ng ®æi, chóng ta dïng thuËt ng÷ lùc gra®ien ¸p suÊt ph ¬ng ngang v gäi
chuyÓn ®éng kÕt qu¶ l giã. NÕu mäi thø kh¸c ®Òu nh nhau, th× lùc gra®ien ¸p
suÊt c ng lín, tèc ®é giã c ng m¹nh.
Gra®ien ¸p suÊt ph ¬ng ngang. B¶n ®å ¸p suÊt mùc biÓn trªn h×nh 4.6 rÊt
®iÓn h×nh, nã cã nh÷ng khu vùc ¸p suÊt thÊp v ¸p suÊt cao víi c êng ®é trung
b×nh. L u ý r»ng nh÷ng biÕn thiªn ¸p suÊt trªn b¶n ®å n y l nhá. ¸p suÊt nhá
nhÊt quan tr¾c ® îc l 977 mb, cßn ¸p suÊt lín nhÊt kho¶ng 1021 mb. Chªnh lÖch
44 mb ë ®©y thÓ hiÖn kho¶ng 4 % cña ¸p suÊt trung b×nh. Còng nªn l u ý r»ng
kho¶ng c¸ch vËt lý ph©n chia c¸c khu vùc ¸p suÊt cao v ¸p suÊt thÊp b»ng kho¶ng
3000 km. Do ®ã, vÒ trung b×nh c¸c gra®ien ¸p suÊt trªn b¶n ®å n y cã cì 40 mb trªn
3000 km hay 1 mb trªn 75 km. Râ r ng, Ýt ra l ë quy m« lôc ®Þa c¸c gra®ien ¸p
suÊt th êng nhá.
ë mét quy m« nhá h¬n, c¸c gra®ien ¸p suÊt ngang cã thÓ lín h¬n. VÝ dô, nh÷ng
trËn b·o cã gra®ien lín, sinh giã m¹nh v hñy diÖt. Nh ng thËm chÝ mét c¬n b·o cã
thÓ cã ¸p suÊt ë phÇn bªn trong nã chØ kho¶ng 50 mb nhá h¬n so víi vïng bªn ngo i
b·o c¸ch xa kho¶ng 300 km. Mét c¬n b·o nh thÕ cã thÓ cã biÕn thiªn ¸p suÊt 1 mb
trªn kho¶ng c¸ch 6 km, t¹o ra mét ®é chªnh lÖch chØ kho¶ng 5% vÒ ¸p suÊt trªn
mét kho¶ng c¸ch ®¸ng kÓ. VÊn ®Ò l thËm chÝ víi nh÷ng gra®ien ¸p suÊt ngang lín
nhÊt, th× c¸c gra®ien ®ã vÉn l rÊt nhá so víi ¸p suÊt trung b×nh. §ã l ®iÒu t ¬ng
ph¶n ®¸ng chó ý so víi c¸c gra®ien ¸p suÊt th¼ng ®øng, ë tr êng hîp n y, trong
ph¹m vi mét kho¶ng c¸ch th¼ng ®øng chØ b»ng nöa km ¸p suÊt cã thÓ gi¶m 50 mb.
Gra®ien ¸p suÊt th¼ng ®øng. Chóng ta ®· thÊy r»ng ¸p suÊt khÝ quyÓn lu«n
lu«n gi¶m theo ®é cao. VÝ dô, trªn h×nh 4.3, h·y l u ý r»ng ¸p suÊt mùc biÓn trung
b×nh b»ng 1013,2 mb gi¶m xuèng tíi 500 mb ë ®é cao 5640 m. Do ®ã, gra®ien ¸p
suÊt th¼ng ®øng trung b×nh trong nöa bªn d íi cña khÝ quyÓn b»ng kho¶ng 500 mb
trªn 5640 m, hay nhá h¬n 1 mb trªn tõng 10 m. H·y so s¸nh con sè n y víi gra®ien
http://www.ebook.edu.vn 139
- ¸p suÊt ngang cña mét c¬n b·o trung b×nh m ta ®· thÊy b»ng kho¶ng 1 mb trªn
6000 m. Gra®ien ¸p suÊt th¼ng ®øng trung b×nh trong vÝ dô n y 600 lÇn lín h¬n so
víi gra®ien ngang cùc trÞ liªn quan ®Õn mét c¬n b·o! Tãm l¹i, gra®ien ¸p suÊt
th¼ng ®øng lín h¬n rÊt nhiÒu lÇn so víi biÕn thiªn ph ¬ng ngang cña ¸p suÊt.
C©n b»ng thñy tÜnh
B¹n ®· biÕt r»ng lùc gra®ien ¸p suÊt g©y ra giã thæi tõ n¬i ¸p suÊt cao ®Õn n¬i
¸p suÊt thÊp v r»ng ¸p suÊt gi¶m dÇn theo ®é cao. NhËn thøc ® îc hai ®iÒu n y,
b¹n cã thÓ suy ra kÕt luËn r»ng giã ph¶i lu«n lu«n thæi tõ d íi lªn trªn. NÕu nh
vËy, sÏ cã thÓ cã mét sè hËu qu¶ phiÒn phøc cho nh÷ng ai sèng trªn bÒ mÆt Tr¸i
§Êt, hä sÏ ng¹t thë bëi v× to n bé kh«ng khÝ quanh chóng ta ch¾c ch¾n sÏ vung ra
tho¸t v o vò trô do lùc gra®ien ¸p suÊt th¼ng ®øng.
Tuy nhiªn, tr íc khi b¹n ho¶ng hèt, h·y xem xÐt tíi mét yÕu tè liªn quan thø
hai: Träng lùc hót tÊt c¶ khèi l îng, kÓ c¶ khÝ quyÓn xuèng phÝa d íi. VËy t¹i sao
khÝ quyÓn l¹i kh«ng ®æ sôp xuèng d íi, ®Õn c¸i n¬i m chóng ta cã thÓ chØ viÖc
giang tay ra m ®ãn lÊy v hÝt thë kh«ng khÝ gi¸ng xuèng bÒ mÆt? Bëi v×, lùc
gra®ien ¸p suÊt th¼ng ®øng v träng lùc th êng b»ng nhau vÒ gi¸ trÞ v t¸c ®éng
trªn c¸c h íng ng îc chiÒu nhau, hiÖn tr¹ng n y ® îc gäi l c©n b»ng thñy tÜnh.
Khi träng lùc ®óng b»ng lùc gra®ien ¸p suÊt th¼ng ®øng vÒ ®é lín, th× kh«ng
xuÊt hiÖn gia tèc th¼ng ®øng. Khi träng lùc h¬i v ît tréi lùc gra®ien ¸p suÊt th¼ng
®øng, sÏ x¶y ra c¸c chuyÓn ®éng h íng xuèng phÝa d íi. Nh÷ng chuyÓn ®éng gi¸ng
nh thÕ lu«n lu«n rÊt chËm. MÆt kh¸c, lùc gra®ien ¸p suÊt h íng lªn trªn ®«i khi
v ît tréi träng lùc rÊt nhiÒu v cã thÓ sinh ra nh÷ng dßng th¨ng víi tèc ®é ®Õn 160
km/giê. §ã l thø m b¹n nh×n thÊy khi nh÷ng ®¸m m©y d y ®Æc lín lªn trong
nh÷ng c¬n d«ng b·o.
Vai trß cña mËt ®é trong sù c©n b»ng thñy tÜnh. MÆc dï c¸c lùc träng
tr êng v gra®ien ¸p suÊt th¼ng ®øng th êng gÇn c©n b»ng nhau, song gi¸ trÞ
chÝnh x¸c cña mçi lùc biÕn ®æi theo vÞ trÝ v theo thêi gian. Träng lùc h íng xuèng
d íi trªn mét thÓ tÝch kh«ng khÝ tû lÖ thuËn víi khèi l îng cña nã (nhí r»ng lùc =
khèi l îng × gia tèc), nªn khÝ quyÓn ®Ëm ®Æc chÞu mét träng lùc lín h¬n so víi khÝ
quyÓn lo·ng. Do ®ã, nÕu khÝ quyÓn ®Ëm ®Æc muèn duy tr× trong c©n b»ng thñy tÜnh,
th× nã ph¶i cã mét lùc gra®ien ¸p suÊt th¼ng ®øng lín h¬n ®Ó bï trõ träng lùc.
Ta xÐt hai cét kh«ng khÝ nh nhau trªn h×nh 4.7a. NÕu cét ë bªn ph¶i ® îc l m
nãng, nh trªn h×nh 4.7b, kh«ng khÝ gi·n në lªn phÝa trªn l m cho mËt ®é cña nã
gi¶m ®i. Kh«ng cã sù thay ®æi vÒ khèi l îng, nªn ¸p suÊt vÉn l 1000 mb t¹i bÒ
mÆt. Tuy nhiªn, ¸p suÊt mùc 500 mb cao h¬n tr íc v gra®ien ¸p suÊt th¼ng ®øng
nhá h¬n. Nãi kh¸c ®i, cét ® îc l m nãng cã mËt ®é bÐ h¬n so víi cét kh«ng ® îc l m
nãng, dÉn ®Õn mét gra®ien ¸p suÊt th¼ng ®øng nhá h¬n. NhËn xÐt ®¬n gi¶n n y cã
mét sè hÖ qu¶ rÊt quan träng ®èi víi c¸c chuyÓn ®éng ph ¬ng ngang v ph¶i ® îc
hiÓu cÆn kÏ tr íc khi tiÕp tôc. (§Ó biÕt nh÷ng chi tiÕt to¸n häc vÒ quan hÖ gi÷a mËt
®é v gra®ien ¸p suÊt th¼ng ®øng, xem chuyªn môc 4-3: Nh÷ng nguyªn lý vËt lý:
Ph ¬ng tr×nh thñy tÜnh).
http://www.ebook.edu.vn
140
- H×nh 4.7. Hai cét kh«ng khÝ víi c¸c nhiÖt ®é, ¸p suÊt v mËt ®é b»ng nhau (a).
L m nãng cét bªn ph¶i (b) l m cho nã gi·n në lªn phÝa trªn. Nã vÉn gi÷ nguyªn
khèi l îng, nh ng cã mËt ®é bÐ h¬n ®Ó bï l¹i cho ®é cao lín h¬n. V× chªnh lÖch
¸p suÊt gi÷a ®¸y v ®Ønh vÉn l 500 mb, nªn gra®ien ¸p suÊt th¼ng ®øng bÐ h¬n
Gra®ien ¸p suÊt ngang trong líp khÝ quyÓn trªn cao
Nh chóng ta ®· thÊy, ¸p suÊt khÝ quyÓn gi¶m nhanh h¬n theo ®é cao ë trong
cét kh«ng khÝ l¹nh v ®Ëm ®Æc. Xem h×nh 4.7b, b¹n cã thÓ thÊy r»ng t¹i ®é cao cña
“®Ønh” cña cét l¹nh, n¬i ¸p suÊt b»ng 500 mb, ¸p suÊt lín h¬n so víi 500 mb ë trong
cét Êm. Nãi c¸ch kh¸c, cã mét gra®ien ¸p suÊt ngang ë líp khÝ quyÓn trung b×nh, ¸p
suÊt thÊp h¬n ë trong cét l¹nh. Mét c¸ch t ¬ng ® ¬ng, ®é cao cña mùc 500 mb thÊp
h¬n ë trong cét l¹nh. N¬i n o gra®ien ¸p suÊt ngang tån t¹i, ë ®ã ph¶i cã ®é xiªn
cña c¸c ® êng ®¼ng ¸p sao cho c¸c ®é cao gi¶m vÒ phÝa kh«ng khÝ l¹nh h¬n. § îc
biÕt r»ng lùc gra®ien ¸p suÊt ngang tû lÖ thuËn víi ®é xiªn cña c¸c ® êng ®¼ng ¸p.
NÕu biÕt ®é xiªn, ta biÕt lùc gra®ien ¸p suÊt.
H×nh 4.8 biÓu diÔn sù ph©n bè cña mùc 500 mb trong khÝ quyÓn lý t ëng, víi
nhiÖt ®é gi¶m dÇn ®Òu vÒ phÝa cùc B¾c (®Ó ®¬n gi¶n, chóng ta gi¶ thiÕt ¸p suÊt mùc
biÓn ®ång nhÊt). Chó ý sù gi¶m cña nhiÖt ®é phÝa cùc g©y nªn sù gi¶m ®é vÒ cao
cña mùc 500 mb, bÒ mÆt nghiªng xuèng d íi vÒ phÝa kh«ng khÝ l¹nh h¬n. ë “d íi
®¸y” cña biÓu ®å l nh÷ng ® êng ®ång møc biÓu diÔn ®é cao cña mÆt 500 mb. Nh·n
http://www.ebook.edu.vn 141
- hiÖu cña c¸c ® êng ®ång møc cho biÕt b¹n ph¶i lªn cao bao nhiªu ®Ó thÊy ® îc ¸p
suÊt 500 mb. VÝ dô, nÕu b¹n ®øng trªn mét ® êng cã nh·n 5500 m, th× mÆt 500 mb
sÏ ë cao 5,5 km bªn trªn b¹n. C¸c ®é cao n y gi¶m vÒ phÝa b¾c; do ®ã, c¸c gi¸ trÞ cña
® êng ®ång møc còng gi¶m vÒ phÝa b¾c.
H×nh 4.8. NhiÖt ®é trung b×nh gi¶m dÇn vÒ phÝa cùc l m cho kh«ng khÝ nÆng h¬n ë
c¸c vÜ ®é cao. Theo ph ¬ng tr×nh thñy tÜnh, ¸p suÊt gi¶m nhanh h¬n theo ®é cao t¹i
c¸c vÜ ®é cao v l m gi¶m ®é cao cña mùc 500 mb. C¸c ® êng g¹ch nèi chØ ®é cao
cña mùc 500 mb gièng nh nÕu chóng ® îc vÏ trªn b¶n ®å thêi tiÕt mùc 500 mb
§Ó hai vÕ c©n b»ng, vÕ ph¶i còng
ph¶i ©m.
4-3: Nh÷ng nguyªn lý vËt lý: Nh vËy, ph ¬ng tr×nh thñy tÜnh
Ph ¬ng tr×nh thñy tÜnh nãi r»ng tèc ®é suy gi¶m cña ¸p suÊt víi
®é cao b»ng tÝch cña mËt ®é kh«ng khÝ
v gia tèc trong lùc. Nh ng v× gia tèc
Kh¸i niÖm vÒ sù c©n b»ng thñy tÜnh
träng lùc ® îc coi thùc tÕ l h»ng sè, nªn
(trong ®ã lùc gra®ien ¸p suÊt th¼ng ®øng
tèc ®é gi¶m ¸p suÊt theo ®é cao ® îc
b»ng v ng îc h íng víi träng lùc) cã thÓ
quyÕt ®Þnh hÇu nh ho n to n bëi mËt
tãm t¾t ng¾n gän b»ng ph ¬ng tr×nh
®é cña khÝ quyÓn. Cô thÓ l , kh«ng khÝ
thñy tÜnh:
Δp cã mËt ®é cao h¬n th× cã gra®ien ¸p suÊt
= −ρ g .
th¼ng ®øng lín h¬n.
Δz
Theo quy íc, ký hiÖu delta ( Δ ) cã Víi t c¸ch l m vÝ dô, ta so s¸nh
hai cét kh«ng khÝ ë h×nh 4.7b, gi¶ sö c¸c
nghÜa l “biÕn thiªn”. Trong tr êng hîp
n y, Δp l biÕn thiªn cña ¸p suÊt, cßn Δz nhiÖt ®é cña chóng l 40 oC v 0 oC. Sö
l biÕn thiªn cña ®é cao. VËy, Δp / Δz ë vÕ dông ¸p suÊt bÒ mÆt l 1000 mb, ph ¬ng
tr×nh tr¹ng th¸i cho mËt ®é cña kh«ng
tr¸i ph ¬ng tr×nh l biÕn thiªn cña ¸p
khÝ nãng l 1,1 kg/m3. T¹i cïng ¸p suÊt,
suÊt trªn mét ®¬n vÞ t¨ng ®é cao.
kh«ng khÝ l¹nh ph¶i cã mËt ®é lín h¬n, ë
Chóng ta ®· gÆp ký hiÖu ρ v g
tr êng hîp n y l 1,3 kg/m3. NÕu chÊp
tr íc ®©y cho mËt ®é v gia tèc träng lùc.
nhËn sù c©n b»ng thñy tÜnh, c¸c gra®ien
DÊu trõ ë vÕ ph¶i l ®Ó tÝnh ®Õn ¸p suÊt
¸p suÊt th¼ng ®øng t¹i bÒ mÆt t ¬ng
gi¶m theo ®é cao; tøc l vÕ tr¸i lu«n ©m.
øng l :
http://www.ebook.edu.vn
142
- Cét kh«ng khÝ nãng: §iÒu n y kh¼ng ®Þnh lËp luËn cña
chóng ta tr íc ®©y, r»ng ¸p suÊt gi¶m
Δp
= −1,1 ( 9,8 ) = −10,8 Pa/m . nhanh h¬n trong mét cét kh«ng khÝ
Δz
l¹nh, nÆng so víi mét cét kh«ng khÝ Êm.
Cét kh«ng khÝ l¹nh: Nh chóng ta ®· b n luËn ë phÇn chÝnh
Δp v¨n, hiÖn t îng n y g©y nªn mét
= −1,3 ( 9,8 ) = −12,8 Pa/m .
gra®ien ¸p suÊt ngang ë líp trªn gi÷a
Δz
kh«ng khÝ nãng v l¹nh.
H×nh 4.9. Ph©n bè cña ®é cao mùc 500 mb ng y 3-5-1995
(® êng ®ång møc ®é cao ghi nh·n b»ng ®¬n vÞ ®ÒcamÐt)
H×nh 4.9 biÓu diÔn mét b¶n ®å 500 mb thùc cña ng y 3-5-1995. C¸c ® êng
®ång møc ®é cao ® îc ®¸nh nh·n l ®ÒcamÐt (1 Dm = 10 m). VËy c¸c ®é cao biÕn
thiªn tõ 5880 m ë phÝa nam ®Õn 5220 m ë cËn t©y b¾c. Nh÷ng ® êng ®ång møc cña
http://www.ebook.edu.vn 143
- c¸c b¶n ®å 500 mb ® îc vÏ c¸ch nhau tõng 60 m (tøc 6 Dm). Nh×n chung, bøc tranh
n y phï hîp víi sù gi¶m vÒ ®é cao tõ phÝa nam lªn phÝa b¾c, tu©n theo gra®ien
nhiÖt ®é tõ phÝa nam ®Õn phÝa b¾c.
N¬i n o c¸c ® êng ®ång møc ®é cao gÇn xÝt víi nhau, th× lùc gra®ien ¸p suÊt sÏ
lín. V× vËy, v o ng y n y, giã ë mùc trªn cao m¹nh nhÊt ë bªn trªn Newfoundland,
tèc ®é 160 km/giê. Bªn trªn Nebraska, lùc gra®ien ¸p suÊt yÕu h¬n rÊt nhiÒu v giã
chØ b»ng 35 km/giê.
Chó ý r»ng biªn ®é cña c¸c ®é cao chØ b»ng kho¶ng 660 m tõ n¬i cao nhÊt ®Õn
n¬i thÊp nhÊt, biÕn thiªn b»ng kho¶ng 10 % trªn mét kho¶ng c¸ch lín. Gièng nh
c¸c gra®ien ¸p suÊt ngang t¹i bÒ mÆt, c¸c gra®ien ¸p suÊt ë líp khÝ quyÓn trªn cao
còng nhá v c¸c mÆt ¸p suÊt gÇn nh n»m ngang. MÆc dï vËy, nh÷ng gra®ien yÕu
ít n y cã thÓ g©y nªn gia tèc ®¸ng kÓ v giã m¹nh, ®Æc biÖt trong líp khÝ quyÓn trªn
cao, n¬i gÇn nh kh«ng cã ma s¸t v mËt ®é nhá.
C¸c b¶n ®å mùc trªn cao ® îc C¬ quan Thêi tiÕt Quèc gia Hoa Kú v c¸c c¬
quan t ¬ng tù ë c¸c quèc gia kh¸c x©y dùng hai lÇn mét ng y. Nh÷ng b¶n ®å n y
cùc kú quan träng trong c«ng t¸c dù b¸o thêi tiÕt, nh chóng ta sÏ b n ®Õn ë
ch ¬ng 13. Ngo i b¶n ®å mùc 500 mb, c¸c b¶n ®å t ¬ng tù còng ® îc x©y dùng cho
c¸c mùc 850, 700 v 300 mb. Nh÷ng b¶n ®å n y øng víi c¸c ®iÒu kiÖn ë kho¶ng
tuÇn tù 1500, 3000 v 13000 m trªn mùc n íc biÓn. H·y nhí r»ng nh÷ng b¶n ®å ®ã
biÓu diÔn ®é cao thay ®æi cña tõng mùc ¸p suÊt riªng biÖt.
Nh÷ng lùc ¶nh h ëng tíi tèc ®é v h íng giã
Sù ph©n bè kh«ng ®ång ®Òu cña kh«ng khÝ trªn Tr¸i §Êt ®· t¹o ra c¸c gra®ien
¸p suÊt ngang, khëi ®éng chuyÓn ®éng kh«ng khÝ v g©y ra giã. NÕu nh kh«ng cã
c¸c lùc kh¸c tham gia, th× giã sÏ lu«n thæi theo h íng cña lùc gra®ien ¸p suÊt. Tuy
nhiªn, t×nh h×nh bÞ phøc t¹p h¬n do t¸c ®éng cña hai lùc kh¸c. Lùc thø nhÊt sinh ra
do sù quay cña Tr¸i §Êt v l m thay ®æi h íng giã. Lùc thø hai, ma s¸t, l m c¶n
trë giã.
Lùc Coriolis
Lùc gra®ien ¸p suÊt l m cho kh«ng khÝ chuyÓn ®éng tõ n¬i ¸p suÊt cao ®Õn n¬i
¸p suÊt thÊp h¬n, v ®é lín cña lùc gra®ien ¸p suÊt chÞu tr¸ch nhiÖm chÝnh quyÕt
®Þnh c êng ®é cña giã. Nh ng ®Ó hiÓu h íng ®i cña giã, b¹n ph¶i xÐt ®Õn sù xoay
cña Tr¸i §Êt, nã g©y nªn sù lÖch h íng biÓu kiÕn (quay) cña giã. HiÖn t îng n y,
gäi l lùc Coriolis * (hoÆc hiÖu øng Coriolis), còng l nguyªn nh©n ®æi h íng bay
cña c¸c viªn ®¹n sóng thÇn c«ng, chim di c v m¸y bay ph¶n lùc. ThËt vËy, nã ¶nh
h ëng tíi mäi thø di chuyÓn trong mét h íng n o ®ã.
§Ó xÐt hiÖu øng m sù xoay cña Tr¸i ®Êt t¸c ®éng lªn c¸c vËt chuyÓn ®éng, h·y
t ëng t îng mét nÒn xoay ng îc chiÒu kim ®ång hå nh trªn h×nh 4.10. (H×nh n y
® îc lÊy trùc tiÕp tõ phÇn b i H íng dÉn vÒ lùc Coriolis trong ®Üa CD kÌm theo
*
Theo tªn cña G. G. Coriolis (1792-1843), ng êi ® a ra gi¶i thÝch to¸n häc ®Çu tiªn cho
hiÖn t îng n y.
http://www.ebook.edu.vn
144
- cuèn s¸ch n y. Ng êi h íng dÉn biÓu diÔn nh÷ng chuyÓn ®éng thùc t ¬ng ®èi so
víi mét nÒn xoay, v do ®ã, minh häa hiÖn t îng theo mét c¸ch kh«ng thÓ lÆp l¹i
b»ng c¸c h×nh vÏ tÜnh. B¹n rÊt nªn tËn dông b i h íng dÉn n y). Khi mét viªn ®¹n
chuyÓn ®éng theo mét h íng th¼ng, nã l în th nh mét ® êng cong t ¬ng ®èi so víi
nÒn quay ë d íi nã. §iÒu n y còng chÝnh x¸c gièng nh hiÖn t îng cã thÓ x¶y ra
nÕu nh hai ng êi ë trªn vßng ®u xoay ®ang quay quan s¸t mét qu¶ bãng ®ang bay
ngay ë phÝa tr íc. ThËm chÝ nÕu nh qu¶ bãng lóc ®Çu chuyÓn ®éng th¼ng tíi mét
trong hai ng êi, th× ng êi Êy còng kh«ng thÓ b¾t ® îc qu¶ bãng, v× anh ta hoÆc chÞ
ta ®· bÞ di chuyÓn ra khái ® êng ®i cña qu¶ bãng bëi sù quay cña chiÕc ®u. §èi víi
ng êi ®øng trªn nÒn, qu¶ bãng sÏ nh l quay ngoÆt sang bªn ph¶i nã (gi¶ sö nÒn
xoay theo h íng ng îc chiÒu kim ®ång hå), thËm chÝ anh ta ®· nghÜ trong thùc tÕ
nã ®ang chuyÓn ®éng trªn mét ® êng th¼ng.
H×nh 4.10. Khi vËt di chuyÓn trªn mét bÒ mÆt xoay, chuyÓn ®éng cña vËt tá ra lÖch khái
®Ých. Qu¶ bãng ë t©m cña nÒn xoay ng îc chiÒu kim ®ång hå ë (a) chuÈn bÞ di chuyÓn vÒ
phÝa ®Ých t¹i ®Ønh cña h×nh vÏ. Khi qu¶ bãng di chuyÓn vÒ phÝa ®Ých, sù xoay cña nÒn l m
cho ®Ých di dêi khái vÞ trÝ ban ®Çu cña nã. §iÒu n y tiÕp diÔn khi qu¶ bãng di chuyÓn khái
t©m (b) v (c), th nh thö ®Õn lóc nã tíi gÇn r×a cña nÒn th× qu¶ bãng h×nh nh ®· ngoÆt vÒ
bªn ph¶i cña nã (d). V× tÊt c¶ c¸c ®iÓm trªn Tr¸i §Êt (ngo¹i trõ däc theo xÝch ®¹o) ®Òu xoay,
tÊt c¶ c¸c vËt thÓ ®Òu chÞu sù di dêi biÓu kiÕn n y cña mét lùc gäi l lùc Coriolis. Lùc n y
kh«ng chØ t¸c ®éng tíi nh÷ng viªn ®¹n, nã cßn t¸c ®éng tíi chuyÓn ®éng cña khÝ quyÓn
Cïng hiÖn t îng n y cã thÓ dÔ d ng h×nh dung ë trªn B¾c Cùc cña Tr¸i §Êt.
Do B¾c b¸n cÇu xoay theo chiÒu ng îc chiÒu kim ®ång hå (mÆc dï chËm h¬n nhiÒu
so s¸nh víi ®u quay), mét vËt chuyÓn ®éng qua cùc sÏ biÓu lé quü ®¹o cong biÓu
kiÕn ®óng nh vËy. HiÖn t îng n y còng ¸p dông ®èi víi giã, nªn kh«ng khÝ chuyÓn
®éng theo mét ® êng th¼ng qua B¾c Cùc ®èi víi chóng ta ë trªn mÆt Tr¸i §Êt nh
quay sang bªn ph¶i. Sù lÖch h íng nh vËy cã x¶y ra ë xÝch ®¹o kh«ng? C©u tr¶ lêi
http://www.ebook.edu.vn 145
- l kh«ng, v× sù xoay 24 giê cña h nh tinh kh«ng t¹o ra chuyÓn ®éng xoay t¹i xÝch
®¹o. Ng îc l¹i, mét ®iÓm bÊt kú trªn bÒ mÆt cña xÝch ®¹o di chuyÓn 40 000 km
quanh trôc cña Tr¸i §Êt. N¬i gi÷a xÝch ®¹o v c¸c cùc, cã sù t¨ng dÇn vÒ ®é lín cña
lùc Coriolis khi vÜ ®é t¨ng. Mèi liªn hÖ gi÷a vÜ ®é v ®é lín cña lùc Coriolis ë Nam
b¸n cÇu còng gi÷ nguyªn nh vËy, víi mét kh¸c biÖt duy nhÊt l sù lÖch h íng biÓu
kiÕn sang phÝa tr¸i, chø kh«ng ph¶i l sang phÝa ph¶i, v× Nam b¸n cÇu xoay theo
chiÒu cïng kim ®ång hå.
§é lín cña lùc Coriolis t¨ng theo tèc ®é giã. ViÖc n y tho¹t ®Çu cã vÎ tr¸i víi
linh nghiÖm, nh ng rÊt quan träng ph¶i nhËn biÕt. Lùc Coriolis tham gia v o l m
quay h íng, sù quay h íng diÔn ra trong mét gia l îng thêi gian ®ang xÐt (vÝ dô,
mét gi©y) - chø kh«ng ph¶i l tæng l îng quay h íng diÔn ra trong thêi gian mét
vËt di chuyÓn tõ mét vÞ trÝ cô thÓ tíi vÞ trÝ kh¸c. H·y c©n nh¾c: nÕu mét vËt cã tèc
®é cùc tiÓu cã thÓ (b»ng 0), nã kh«ng bÞ quay h íng. Mét vËt di chuyÓn rÊt chËm cã
thÓ bÞ quay h íng chËm d·i, nh ng trong mét gia l îng thêi gian ng¾n n o ®ã sù
quay h íng cã thÓ l cùc tiÓu. Mét vËt chuyÓn ®éng nhanh sÏ di chuyÓn trªn mét
kho¶ng c¸ch ®¸ng kÓ trong cïng thêi kho¶ng v do ®ã bÞ quay h íng nhiÒu h¬n.
vÒ bªn ph¶i, mÆc dï chóng ta biÕt qu¶
bãng ®· ®i trªn mét ® êng th¼ng.
4-4: Nh÷ng nguyªn lý vËt lý: §é lín cña lùc Coriolis ® îc x¸c
HiÖu øng Coriolis ®Þnh b»ng tèc ®é m h nh tinh quay
(h»ng sè), tèc ®é cña vËt (hoÆc giã) khi
nã chuyÓn ®éng qua bÒ mÆt v vÜ ®é. Mét
Khi m« t¶ giã v nh÷ng chuyÓn ®éng
c¸ch chÝnh x¸c h¬n, ®é lín ®ã cã thÓ biÓu
kh¸c, chóng ta ph¶i theo quy íc lÊy bÒ
diÔn b»ng
mÆt l m mét khung tham chiÕu. VÝ dô,
FC = 2Ω v sin ϕ ,
khi chóng ta nãi giã 10 m/s, cã nghÜa l
trong ®ã FC l lùc Coriolis, Ω l tèc ®é
kh«ng khÝ di chuyÓn qua bÒ mÆt víi tèc ®é
10 m/s. Do bÒ mÆt xoay, chóng ta m« t¶ xoay cña Tr¸i §Êt (1 vßng trong ng y), v
l tèc ®é giã v ϕ l vÜ ®é (l u ý r»ng t¹i
c¸c chuyÓn ®éng t ¬ng ®èi so víi khung
tham chiÕu ®ang xoay. KÕt qu¶ l mét vËt xÝch ®¹o sin ϕ = 0 v kh«ng cã lùc
chuyÓn ®éng trªn mét ® êng th¼ng so víi Coriolis). Nh ®· viÕt ë ®©y, ph ¬ng
c¸c ng«i sao th nh ra ®i theo mét ® êng tr×nh cho lùc Coriolis cña khèi l îng ®¬n
vßng cung trªn bÒ mÆt Tr¸i §Êt, nh trªn vÞ, nghÜa l lùc cña 1 kg kh«ng khÝ
h×nh 4.10. Trªn h×nh 4.10a, qu¶ bãng chuyÓn ®éng. NÕu kÕt hîp th«ng tin víi
®ang n»m t¹i t©m cña mét nÒn xoay ng îc ®Þnh luËt thø hai cña Newton, theo ®ã
chiÒu kim ®ång hå. Khi nã di chuyÓn vÒ gia tèc l lùc cña khèi l îng ®¬n vÞ,
phÝa mèc chèt (b) v (c), th× nÒn ®ang xoay chóng ta thÊy r»ng FC l mét gia tèc -
ë phÝa n¬i qu¶ bãng. §Õn lóc qu¶ bãng ®¹t
cô thÓ l gia tèc Coriolis. Nh vËy, tõ
tíi r×a (d), mÆt nÒn ®· quay ®i ®¸ng kÓ v
nay vÒ sau chóng ta kh«ng cÇn bËn t©m
mèc chèt môc tiªu cña qu¶ bãng còng thÕ.
ph©n biÖt gi÷a gia tèc Coriolis v lùc
NÕu dïng mÆt nÒn l m mét khung tham
Coriolis, m sÏ sö dông hai ®¹i l îng ®ã
chiÕu, qu¶ bãng th nh ra ®· bÞ quay ngoÆt
thay thÕ lÉn nhau.
Sau khi nghiªn cøu b i chØ dÉn trªn ®Üa CD vÒ chñ ®Ò n y, chóng ta nªn n¾m
v÷ng bèn ®Æc ®iÓm c¬ b¶n sau ®©y cña lùc Coriolis:
http://www.ebook.edu.vn
146
nguon tai.lieu . vn
