Thời tiết và khí hậu - Phần 2 Nước trong khí quyển - Chương 7 pot

243
Chơng 7
Các quá trình giáng thủy
Chúng ta thờng nghĩ về ma lớn v các tác động môi trờng của nó nh
những sự kiện ngắn ngủi, thoáng qua. Một trận ma bất ngờ có thể gây lụt lội
trong vi phút, nhng sự nguy hiểm thờng kéo di trong hng giờ hoặc đại loại
nh vậy. Tuy nhiên, đôi khi các điều kiện môi trờng tồn tại từ trớc có thể lm cho
một trận ma có một ảnh hởng nghiêm trọng hơn nhiều so với thông thờng. Trận
lụt lớn ở miền Trung Tây nớc Mỹ năm 1993 l một ví dụ điển hình.
Những điều kiện gây lụt lớn đã bắt đầu từ mùa thu năm 1992, khi ấy những
trận ma dai dẳng đã lm bão hòa đất trên khắp miền Trung Bắc nớc Mỹ. Mùa
thu nhiều ma lại đợc nối tiếp bằng một mùa đông tích tụ đầy tuyết. Tổ hợp của
khối tuyết dy đặc bên trên đất đã bão hòa luôn l biểu hiện của nguy cơ lụt úng
đối với mùa tuyết tan, song năm 1993 đã thực sự tỏ ra tồi tệ hơn bất kỳ ai có thể
hình dung, bởi vì mùa tuyết tan lại đợc nối tiếp ngay bằng những trận ma lớn
bất thờng trong tháng 6 v tháng 7.
Cờng độ lũ lụt lớn cha từng thấy. Tại Saint Louis, Missouri, sông Mississippi
đạt mực nớc 6 m bên trên mức lũ. Một con sông, bình thờng rộng khoảng 800 m ở
gần Saint Joseph, Missouri, đã lan rộng ra đến 10 km, lm cho gần nửa quận Saint
Charles ngập trong nớc (hình 7.1). Tại thnh phố Kansas, Missouri, sông Missouri
nâng lên cao 6,7 m so với bờ. Khắp miền Trung Tây, hng chục nghìn ngôi nh bị
h
hại hoặc phá huỷ
do lũ lụt, vì to
n bộ các vùng xung quanh v 77 thnh phố nhỏ
chìm trong nớc. Lũ lụt thậm chí còn chia sẻ phần cay đắng mỉa mai của mình: Des
Moines, Iowa bị thiếu nớc uống trong 12 ngy vì nớc lũ ô nhiễm. C dân Jacki
Meek, 40 tuổi, ở ngoại ô Saint Louis, đại diện cho 85 000 ngời phải sơ tán khỏi nh
của mình đã nói Tôi cảm thấy mình bây giờ gi tới 65 tuổi, tôi thấy nh của mình
trên chơng trình thời sự, v tôi chỉ biết kêu khóc.

Ma v các hiện tợng giáng thủy khác l một thực tế cuộc sống đối với tất cả
mọi ngời, mặc dù bình thờng thì hậu quả của nó còn xa mới bằng lũ lụt năm
1993. Thực tế, việc tìm kiếm đáp án cho câu hỏi cái gì lm nên giáng thủy có thể đã
l một trong những lý do để bạn lật trang quyển sách ny. Trong chơng 6, chúng
ta đã biết về những quá trình dẫn đến hình thnh các loại mây cho giáng thủy v
không cho giáng thủy. Trong chơng ny, chúng ta giải thích các quá trình m nhờ
đó các giọt mây v các tinh thể băng cha gây ma lớn lên đủ để rơi xuống thnh
giáng thủy.

244
Hình 7.1. Lũ lụt trên các sông Mississippi v Moussouri. ảnh bên trên cho thấy vị trí bờ
của hai sông ny ở tình huống bình th~ờng. Lũ lụt cực hạn v~ợt bờ đã lm ngập những
vùng rộng lớn của một số bang ở phần Trung Tây trong mùa hè năm 1993 (ảnh d~ới)
Sự lớn lên của các giọt mây
Khi hoạt động riêng lẻ, trọng lực sẽ lm tăng tốc độ các vật rơi xuống phía bề
mặt. Nhng trọng lực không phải l lực duy nhất tác động lên một vật đang rơi;
trong cùng thời gian, không khí tác động một lực cản, hay kháng lực. Khi tốc độ
tăng lên, lực cản cũng tăng, cho đến khi lực cản cân bằng với trọng lực v gia tốc bị
triệt tiêu. Vật vẫn rơi, nhng với một tốc độ không đổi,
vận tốc dừng. Nếu không có
gì đặc biệt, tốc độ dừng phụ thuộc vo kích thớc, các vật nhỏ rơi chậm hơn nhiều
so với vật lớn. (Chúng ta sẽ xem xét tỉ mỉ mối liên quan giữa kích thớc v tốc độ
dừng trong chuyên mục
7.1: Những nguyên lý Vật lý: Vì sao các hạt mây không rơi).

245
Nh chúng ta đã nhắc đến, các giọt mây rơi chậm do chúng rất nhỏ. Các giọt mây
có kích nhỏ l vì trong thực tế có rất nhiều các nhân ngng kết; do đó, nớc trong
mây phân bố cho rất nhiều hạt nhỏ chứ không tập trung vo một số ít những hạt
lớn hơn. Với kích thớc nhỏ, các giọt mây lúc đầu có tốc độ dừng cực chậm, chúng

không thể đạt tới bề mặt.
Hiệu ứng ny thể hiện rõ trên hình 7.2, hình ny biểu diễn các tốc độ dừng của
các hợp phần mây khác nhau. Những hạt mây nhỏ nhất l các nhân ngng kết,
trên đó các giọt nớc lỏng hình thnh (để đơn giản, hình ny chỉ áp dụng đối với
mây gồm nớc lỏng, không có các tinh thể băng). Các nhân ngng kết nhỏ đến nỗi
chúng rơi xuống với một tốc độ chậm không nhận ra đợc. Những giọt mây lớn hơn
(nhng không rơi xuống thnh ma) điển hình có bán kính từ 10 đến 50 m

(hãy
nhớ lại, 1 m

bằng một phần triệu mét). Các hạt mây ny có tốc độ rơi từ khoảng 1
đến 25 cm/s. Một cách tơng phản, những hạt ma lớn hơn nhiều, đợc thể hiện
trên hình, rơi với tốc độ 650 cm/s, nhanh gấp 25 lần.
Hình 7.2. Các đặc tr~ng trung bình của các hợp phần mây
Những giọt ma rơi xuống bề mặt khi chúng trở thnh đủ lớn sao cho trọng lực
vợt qua đợc hiệu ứng của các dòng thăng. Thế no gọi l đủ lớn? Nếu xét theo
bán kính, những giọt ma lớn hơn các giọt mây điển hình khoảng 100 lần. Với kích
thớc đó, phần lớn các phân tử nớc nằm ở phần bên trong của giọt mây, chỉ một số
tơng đối ít các phân tử ở mép ngoi tiếp xúc với khí quyển. Vì chỉ có một tỉ phần
nhỏ hơn bị lực cản, vận tốc dừng sẽ đủ lớn để giọt mây rơi thnh ma.
Chúng ta cần lu ý rằng, nếu xét theo thể tích hay khối lợng nớc, các giọt
ma lớn hơn so với các giọt mây một triệu lần chứ không phải chỉ một trăm lần. Đó
l vì thể tích hình cầu tỷ lệ với lập phơng của bán kính. Nếu bán kính lớn hơn 100
lần, thì thể tích lớn hơn l
100100100 ìì (1 triệu) lần. Các giọt ma không hon
ton l hình cầu, nhng nguyên tắc ny vẫn đúng: các phần tử giáng thủy thờng
lớn hơn nhiều lần so với những giọt mây.
ít ra l dới giác độ một giọt mây, mặc dù

246
chúng ta không cho rằng mây l những vật rơi lớn, nhng thực sự l nh vậy.
Trong các mục tiếp theo của chơng ny, chúng ta sẽ tổng quan những quá trình
tạo thnh những vật rơi khổng lồ đó.
7-1 Những nguyên lý vật lý:
Tại sao các hạt mây không rơi?
Bạn có lẽ đã quen thuộc với truyền
thuyết - thí nghiệm của Galileo Galilei
cuối thế kỷ 16, cho hai vật rơi, một nhẹ
v một nặng, từ trên tháp nghiêng Pisa.
Cả hai vật chịu cùng một gia tốc trọng
trờng, chạm tới mặt đất gần nh cùng
một thời gian. Biểu diễn của Galileo có vẻ
không phù hợp trải nghiệm hng ngy
của chúng ta, vì một con kiến rơi từ nóc
tòa nh cao tầng xuống đất chắc phải lâu
hơn một quả cầu. Nó cũng không giống
với nhận định của chúng ta rằng những
giọt mây nhỏ thì rơi chậm. Lời giải phải
l: có lực khác tác động lên các vật đang
rơi ngoi trọng lực, thật vậy, có lực cản
của gió, hay trở kháng. Bằng cách xem
xét hai lực ny cùng tác động nh thế
no, ta sẽ hiểu thêm vì sao các hạt mây
không rơi. Để dễ bn luận, ta giả thiết
các hạt có hình cầu khi dùng các hình
dạng thực tế hơn thì cũng sẽ không lm
thay đổi những kết luận của chúng ta.
Định luật thứ hai của Newton nói
rằng: nếu một lực ròng tác động lên một

khối lợng, khối lợng đó sẽ có một gia
tốc (hay thay đổi vận tốc theo thời gian).
Đối với một khối lợng đang xét, gia tốc
tỷ lệ thuận với lực. Dới dạng phơng
trình, định luật ny viết thnh:
tốcgiaợnglkhốirònglực ì= .
Hãy lu ý, định luật thứ hai của
Newton nói rằng ta xét lực ròng tức l kết
quả của tất cả các lực tác động lên vật.
Khi xét giọt nớc đang rơi, nó có trọng lực
hớng xuống dới, bị chống lại bởi lực cản
của gió (trở kháng). Một giọt nớc vừa
mới sinh ra trong khí quyển rơi với tốc độ
tăng dần, nhng không tăng vô tận. Dần
dần lực cản
)(
d
F cân bằng với trọng lực
)(
g
F , kết quả l không còn lực ròng:
0==
dg
FFrònglực
.
Không có lực ròng thì không có gia
tốc v giọt nớc rơi với vận tốc tốc rơi
dừng của nó. Giọt nớc rơi nhanh nh thế
no? Để trả lời câu hỏi ny, ta cần biết
một chút về độ lớn của hai lực.

Trọng lực
Trọng lực tỷ lệ thuận với khối lợng.
Khi ta bớc lên chiếc cân, chính l ta đo
lực ny. Đối với một giọt mây không chứa
gì khác ngoi các phân tử nớc, khối
lợng chính l mật độ nhân với thể tích.
Vậy ta có
g
F bằng
3
3
4
rF
g

= ,
ở đây

l mật độ của nớc v r l bán
kính giọt.
Lực cản
Trở kháng giữa giọt v không khí
xung quanh phụ thuộc vo tốc độ rơi v
kích thớc của giọt. Giống nh một ô tô
đang chạy trên đờng cao tốc, một giọt
nớc chịu lực cản mạnh hơn khi nó
chuyển động trong không khí. Thực tế,
một cách gần đúng, lực cản tăng theo
bình phơng của tốc độ gió
)(

2
v . Vậy kích
thớc ảnh hởng tới lực cản nh thế no?
Đối với một hình cầu, ảnh hởng của kích
thớc giọt nớc chủ yếu l do diện tích
của bề mặt. Khi diện tích bề mặt tăng,
lực cản tăng theo một cách tỉ lệ thuận.
Nếu nhớ lại l, diện tích bề mặt hình cầu

247
cầu bằng
2
4 r

, ta có thể kết hợp các ảnh
hởng của tốc độ v của diện tích bề mặt
thnh
22
4 rkF
d

= ,
trong đó
k l một hằng số. Giá trị của k
không quan trọng ở đây; vấn đề l
d
F tỉ
lệ với bình phơng tốc độ rơi
)(
2

v
v bán
kính
)(
2
r .
Vận tốc dừng
Đối với một giọt nớc rơi với vận tốc
dừng, ta đã nói rằng trọng lực v lực cản
bằng nhau. Nếu dùng
t
v l vận tốc dừng,
ta có
)()(
dg
t
FF
rkvr
223
4
3
4

=
Để xác định vận tốc dừng, ta sắp xếp
v giải ra đối với
t
v
:
rk

rrk
rkrv
t
á
ạ
ã
ă
â
Đ
á
ạ
ã
ă
â
Đ
=
=
=
/
//
/



3
1
4
3
4
4

3
4
23
232
hay
rcv
t
= ,
ở đây
kc /

3
1
=
l một hằng số.
Nhờ công thức ny, ta nhận đợc
một kết quả quan trọng: khi bán kính
giọt tăng, thì vận tốc dừng tăng. Một cách
tơng đơng, các giọt lớn rơi nhanh hơn
các hạt nhỏ.
ý nghĩa vật lý ở đây l: cả
trọng lực lẫn lực cản đều tăng theo bán
kính, nhng trọng lực tăng nhanh hơn so
với lực cản v vì vậy đòi hỏi một tốc độ rơi
cao hơn để bù cho
g
F . Chú ý rằng, đối với
giọt nớc, rơi với tốc độ
t
v trong khí

quyển đứng yên thì cũng hon ton giống
nh nó đứng yên trong không khí nâng
lên với tốc độ
t
v . Nh vậy, công thức ny
nói rằng cần một dòng thăng mạnh để
giữ một giọt nớc lớn ở trên cao, còn một
giọt nớc nhỏ thì dễ lơ lửng.
Trở lại với trờng hợp tháp nghiêng
Pisa đã mô tả ở trên, bây giờ ta có thể
hiểu vì sao các vật của Galileo đã rơi gần
nh với cùng một tốc độ. Đối với những
vật lớn nh thế, trọng lực lớn hơn lực cản
rất nhiều trong suốt quãng đờng rơi
ngắn ngủi. Nếu bỏ qua lực cản, trọng lực
lm tăng tốc độ của cả hai vật gần nh
với cùng một mức độ. Nếu nh Galilei
dùng các vật với kích thớc rất khác
nhau, hoặc nếu nh các vật rơi đủ xa để
đạt tới vận tốc dừng, thì chênh lệch về tốc
độ có thể xuất hiện. Chuyện về sức cản
của gió cũng hon ton nh vậy, v
những cuốn sách giống nh sách ny sẽ
không cần bn về chủ đề ny nữa.
Lớn lên do ng~ng kết
Khi các giọt mây bắt đầu hình thnh do sự lạnh đi đoạn nhiệt của không khí
thăng, chính l chúng hình thnh ở trên các nhân ngng kết. Nhng trong phạm vi
một vi chục mét bên trên mực ngng kết thăng, tất cả những nhân ngng kết hiện
có đã hút lấy nớc, còn sự ngng kết tiếp theo no đó chỉ có thể diễn ra trên các giọt
đang tồn tại ấy.

Sự ngng kết có thể lm cho các giọt nớc rất nhỏ lớn lên nhanh, nhng chỉ
đến khi chúng đạt tới những bán kính đến khoảng 20
m, bán kính đó vẫn còn l
rất nhỏ so với kích thớc cần thiết để rơi xuống thnh ma. Sau thời điểm ny, sự
tăng trởng tiếp theo do ngng kết l nhỏ nhất. Để hiểu tại sao, hãy nhớ lại rằng
hơi nớc trong không khí chỉ còn tơng đối ít để ngng kết. Với nhiều giọt nh thế
tranh nhau một lợng nớc hạn chế thì không giọt no có thể lớn lên rất nhanh

248
đợc. Rõ rng l nếu nh tăng trởng do ngng kết l quá trình tác động duy nhất,
thì chúng ta sẽ thấy rất ít ma, nếu nh có, trên Trái Đất ny. Vì vậy, chúng ta cần
biết rằng quá trình ngng kết chỉ l điểm xuất phát của ma v tuyết, không phải
l ton bộ nguyên nhân. Có hai quá trình khác có trách nhiệm lm cho giọt mây lớn
lên tiếp, tầm quan trọng tơng đối của hai quá trình đó tùy thuộc vo các đặc trng
nhiệt độ của mây.
Lớn lên trong mây ấm
Phần lớn mây cho ma ở các vùng nhiệt đới v nhiều mây ở các vĩ độ trung
bình l những đám mây ấm, luôn có nhiệt độ lớn hơn 0
o
C. Trong mây ấm, quá
trình va chạm - liên kết
gây nên giáng thủy, quá trình ny phụ thuộc vo tốc độ
rơi khác nhau của các giọt với kích thớc khác nhau.
Các giọt mây có các kích thớc khác
nhau, v do đó, có các vận tốc dừng khác
nhau. Hãy nhìn hình 7.3 xem điều gì sẽ xảy
ra khi giọt lớn nhất (gọi l
giọt thu loợm) rơi
trong một đám mây ấm. Khi giọt thu lợm
rơi xuống, nó vợt qua một số giọt nhỏ hơn

trên đờng đi của mình, bởi vì vận tốc dừng
của nó lớn hơn. Điều đó mang lại cơ hội cho
sự va chạm v liên kết.
Sự va chạm. Khi rơi, một giọt thu lợm
va chạm chỉ với một số giọt trên đờng của
nó. Xác suất
va chạm phụ thuộc vo cả kích
thớc tuyệt đối lẫn kích thớc tơng đối của
giọt thu lợm so với những giọt nớc phía
dới. Nếu giọt thu lợm lớn hơn nhiều so với
các giọt nớc ở phía dới, tỉ lệ những lần va
chạm (hiệu suất va chạm) sẽ thấp. Hình 7.4
cho thấy vì sao. Khi giọt thu lợm rơi, nó
nén không khí trên đờng đi của mình.
Không khí bị nén sẽ tạo ra một xung gió giật
Hình 7.3. Vì hạt thu l~ợm có khối
l~ợng lớn hơn, nó có tốc độ dừng
lớn hơn (biểu diễn bằng độ di của
mũi tên h~ớng xuống d~ới) so với
các giọt nhỏ trên đ~ờng rơi của
mình. Hạt thu l~ợm sẽ v~ợt qua v
va chạm với các hạt nhỏ hơn
yếu đẩy các giọt nhỏ dạt ra khỏi đờng đi. Tuy nhiên, gió giật yếu không thể đẩy
các giọt lớn hơn ra ngoi v giọt thu lợm có thể va chạm với chúng. Kết quả l,
hiệu suất va chạm sẽ lớn hơn đối với những giọt có kích thớc không nhỏ hơn quá
nhiều so với giọt thu lợm.
Bạn có thể đã chứng kiến một hiện tợng tơng tự ở một quy mô lớn hơn khi
lái xe trên đờng nông thôn vo mùa hè, kính chắn gió phía trớc dồn những con
côn trùng lớn đang bay bị kẹt lại thnh một đống nhỏ ở mép kính. Rất khó khăn để
dạt ra bên cạnh bằng không khí bị nén ở ngay phía trớc kính chắn gió, chúng bay

tiếp theo đờng của chúng cho đến khi thời điểm hiểm nghèo xuất hiện. Trái lại,
những con bọ nhỏ hơn thì bị thổi tung ra khỏi con đờng tai họa.

249
Hiệu suất va chạm cũng thấp đối với các giọt gần nh bằng nhau về kích thớc
so với giọt thu lợm, vì vận tốc dừng của chúng gần bằng với vận tốc của giọt thu
lợm, khi đó giọt thu lợm khó có thể đuổi kịp v va chạm với chúng. Lại tơng tự
với tình huống ô tô, những vụ đụng độ giữa các xe ít khả năng xảy ra chừng no tất
cả các xe chạy với cùng tốc độ v cùng hớng.
Trong những tình huống nhất định, hiệu
suất va chạm có thể thực sự vợt quá 100%, v
giọt thu lợm có thể va chạm với nhiều giọt
hơn số lợng giọt trên đờng đi của nó. Một
giọt đang rơi tạo nên những cuộn xoáy rối có
thể thu hút những giọt nhỏ ở bên ngoi đờng
đi v mang chúng trở lại phía đỉnh của giọt
thu lợm, ở đó sẽ xảy ra va chạm.
Nghiên cứu gần đây sử dụng các mô hình
toán cho biết rằng chuyển động rối dới dạng
những cuộn xoáy lm tăng hiệu suất va chạm
lên rất nhiều. Các xoáy rối có tác dụng nh
những máy ly tâm nhỏ chia tách các giọt theo
kích thớc khi chúng quay xung quanh tâm.
Biến thiên kết quả về nồng độ sẽ lm tăng
đáng kể suất va chạm trung bình. Ngoi ra, sự
quay nhanh lm cho các dòng giọt nớc tách
khỏi không khí giống nh một con thoi văng
ra khỏi dây nối. Những giọt bị tách ra có xác
suất va chạm cao với các giọt khác, cho nên
quá trình ny cũng lm tăng hiệu suất va

chạm. Tính toán cho thấy rằng, để cho ly tâm
v hiệu ứng dây nối có thể xuất hiện thì chỉ
cần chuyển động cuộn xoáy cỡ nhẹ, có nghĩa l
các quá trình ny tác động trong phần lớn các
đám mây.
Sự liên kết. Khi một giọt thu lợm v các
giọt nhỏ hơn va chạm, chúng có thể hoặc kết
hợp lại để hình thnh một giọt duy nhất lớn
hơn hoặc văng ra thnh nhiều mảnh. Đa số
các giọt nớc va chạm thờng dính vo nhau.
Quá trình ny đợc gọi l
liên kết, v tỷ lệ
phần trăm các giọt nớc va chạm liên kết lại
với nhau đợc gọi l
hiệu suất liên kết. Vì đa
số các va chạm dẫn tới kết cục liên kết, nên
hiệu suất liên kết thờng đợc chấp nhận
bằng gần 100 %. Nói cách khác, chúng ta hon
Hình 7.4. Khi một giọt thu l~ợm rơi
(a), nó nén không khí ở phía d~ới nó
(b). Điều ny tạo ra một građien áp
suất v đẩy những giọt rất nhỏ ra
khỏi đ~ờng (c). Các giọt nhỏ bị dạt
sang bên v tránh khỏi bị tác động

250
ton có thể bỏ qua hiệu suất liên kết của hai giọt có kích thớc tơng tự, bởi vì
chúng ít khả năng va chạm ở vị trí thứ nhất.
Sự va chạm v sự liên kết cùng với nhau hình thnh cơ chế quan trọng cho
ma ở các vùng nhiệt đới, nơi những đám mây ấm chiếm u thế. Tại các vĩ độ trung

bình, đa số các đám mây cho giáng thủy có các nhiệt độ đóng băng, ít ra l tại các
phần phía trên của chúng. Điều đó tạo thuận lợi cho sự tăng trởng giáng thủy
bằng một cơ chế khác liên quan tới sự cùng tồn tại của các tinh thể băng v các giọt
nớc siêu lạnh,
quá trình Bergeron (còn đợc biết đến nh quá trình Bergeron-
Findeisen hoặc quá trình tinh thể băng) đợc mô tả trong mục tiếp theo.
Lớn lên trong các đám mây mát v lạnh
Khác với các bản sao của chúng tại vùng nhiệt đới, ít nhất một phần của đa số
các đám mây vùng vĩ độ trung bình có nhiệt độ thấp hơn điểm tan băng. Nh trên
hình 7.5a, một số đám mây có nhiệt độ thấp hơn 0
o
C v cấu tạo hon ton từ các
tinh thể băng, các giọt nớc siêu lạnh hoặc hỗn hợp của cả hai. Các đám mây đó gọi
l những đám
mây lạnh.
Trái lại,
mây mát (hình 7.5b) có các nhiệt độ lớn hơn 0
o
C tại các biên phía dới
v những điều kiện cận đóng băng ở phía trên. Nh chúng ta đã bn luận ở chơng
5, sự bão hòa tại nhiệt độ giữa -4
o
C v -40
o
C có thể dẫn đến sự hình thnh các tinh
thể băng nếu có những nhân băng hiện diện hoặc hình thnh các giọt lỏng siêu
lạnh nếu không có những nhân băng hiện diện. Nh vậy, một đám mây tích khá
phát triển có thể cấu tạo hon ton từ những giọt nớc ở phần thấp của nó, một tổ
hợp những giọt nớc siêu lạnh v những tinh thể băng ở phần giữa v những tinh
thể băng hon chỉnh ở phần đỉnh trên cùng (hình 7.6). Các quá trình đợc mô tả

trong mục ny hoạt động bên trong những đám mây lạnh v mát có hỗn hợp băng
v nớc lỏng.
Hình 7.5. Đám mây lạnh (a) có nhiệt độ thấp hơn 0
o
C từ chân đến đỉnh mây. Đám mây mát (b) có
nhiệt độ lớn hơn 0
o
C ở các phần phía d~ới v có nhiệt độ đóng băng ở phần phía trên
Nh chúng ta sẽ thấy, sự cùng tồn tại của băng v những giọt nớc siêu lạnh
rất quan trọng đối với sự phát triển của phần lớn giáng thủy ở bên ngoi vùng nhiệt
đới. Một quá trình, trong đó những giọt nớc v tinh thể trong các đám mây vùng vĩ
độ trung bình lớn lên tới kích thớc cho giáng thủy đã đợc mô tả bởi một trong
những nh khoa học lỗi lạc của khí tợng học hiện đại, Tor Bergeron. Quá trình

251
ny do đó thờng đợc nhắc đến với tên gọi quá trình Bergeron.
Nguyên lý cơ sở của quá trình Bergeron l áp
suất hơi bão hòa xung quanh băng (lợng hơi nớc
cần thiết để giữ băng ở trạng thái cân bằng) nhỏ
hơn áp suất hơi nớc bão hòa xung quanh nớc
siêu lạnh tại cùng một nhiệt độ.
*
Nói cách khác,
nếu có vừa đủ hơi nớc trong không khí để giữ cho
một giọt siêu lạnh không bốc thnh hơi, thì lợng
hơi nớc đó thừa đủ để duy trì một tinh thể băng.
Chúng ta sẽ xem xét điều ny dẫn đến giáng thủy
nh thế no.
_______________
Hình 7.6. Đám mây tích. Phần bên d~ới cấu tạo hon

ton từ các giọt lỏng, phần giữa - hỗn hợp băng v
n~ớc lỏng v phần trên - hon ton l băng. Phần
đỉnh mây cấu tạo từ băng có ranh giới mờ nhạt hơn
Hãy quan sát hình 7.7 v xét tình huống trong đó các tinh thể băng v các giọt
nớc siêu lạnh cùng tồn tại, còn áp suất hơi nớc thì bằng với áp suât cần thiết để
giữ các giọt nớc ở trạng thái cân bằng. Trên hình 7.7a tốc độ ngng kết vo giọt
nớc lỏng bằng tốc độ bốc hơi. Nhng khi áp suất hơi nớc trong mây bằng áp suất
hơi nớc bão hòa đối với giọt nớc, thì áp suất đó lớn hơn áp suất hơi bão hòa đối với
băng. Điều ny lm cho một phần hơi nớc trong không khí bị ngng kết trực tiếp
vo băng. Trữ lợng hơi nớc trong không khí sau đó bị giảm xuống v sẽ lm cho
các giọt nớc lỏng bị bốc hơi vì nó nhờng nớc để phục hồi trạng thái cân bằng (b).
Nhng quá trình ny cha kết thúc ở đây, bởi vì sự bốc hơi từ giọt nớc lm
tăng trữ lợng hơi nớc của không khí, lợng hơi nớc đó lại tiếp tục ngng kết vo
các tinh thể băng (c). Kết cục dẫn tới một quá trình chuyển hóa liên tục: các giọt
lỏng nhờng hơi nớc, để rồi hơi nớc đó ngng kết vo các tinh thể băng. Nói khác
đi, các tinh thể băng liên tục lớn lên nhờ những giọt nớc siêu lạnh tích tụ thêm
vo. Mặc dù hình 7.7 diễn tả quá trình ny thnh các b
ớc riêng biệt, nhng bố
c
hơi v kết tụ trong thực tế xảy ra đồng thời.
Sự lớn lên của các tinh thể băng nhờ quá trình kết tụ hơi nớc thờng không
đủ để tạo ra ma lớn, chỉ l ma nhẹ. Khi các tinh thể băng lớn lên, khối lợng của
tinh thể tăng, chúng sẽ rơi trong mây v va chạm với những giọt nớc v những
tinh thể băng khác. Những vụ va chạm nh thế gây nên hai quá trình quan trọng
nữa có thể lm tăng rất nhanh tốc độ lớn lên của các tinh thể băng, đó l sự bồi kết

*
Đó l vì các phân tử trong một tinh thể băng liên kết với nhau chặt chẽ hơn so với các
phân tử của nớc lỏng. Rất thú vị l điều ny không phải Bergeron phát hiện ra, nó đợc
phát hiện nhiều năm trớc bởi Alfred Wegener, nh khoa học nổi tiếng hơn do những đóng

góp của ông cho học thuyết kiến tạo mảng (đôi khi gọi l thuyết trôi lục địa). Đóng góp của
Bergeron l đã áp dụng nguyên lý ny vo sự tăng trởng của các hợp phần mây v quá
trình hình thnh giáng thủy.

252
(phủ sơng muối) v kết cụm.
Hình 7.7. Quá trình Bergeron. Nếu l~ợng hơi n~ớc trong không khí vừa đủ để giữ một giọt n~ớc
siêu lạnh cân bằng, thì l~ợng đó thừa đủ để giữ một tinh thể băng cân bằng. Điều kiện ny dẫn đến
kết tụ (tức chuyển pha từ hơi n~ớc sang băng) nhanh hơn thăng hoa (tức chuyển pha từ băng sang
hơi n~ớc) v tinh thể lớn lên (a). Hơi n~ớc bị ít đi trong không khí lm cho giọt n~ớc phải bốc hơi
(b). Bốc hơi từ giọt n~ớc lm cho không khí có thêm n~ớc v kích thích sự tăng tr~ởng tinh thể
băng (c). Tuy ở đây biểu diễn một chuỗi các b~ớc riêng biệt, nh~ng các quá trình diễn ra đồng thời
Bồi kết v kết cụm. Chúng ta đã thấy rằng sự hình thnh các tinh thể băng
trong khí quyển thờng đòi hỏi phải có mặt những nhân băng, hay những hạt khởi
động sự đóng băng. Trong thực tế, bản thân băng chính l một nhân băng rất hiệu
dụng. Nh vậy, khi các tinh thể băng rơi trong mây v va chạm với các giọt siêu
lạnh, nớc lỏng sẽ ngng kết thnh băng bám vo các tinh thể băng. Quá trình ny
gọi l
phủ soơng muối (hoặc l bồi kết), nó lm cho các tinh thể băng lớn lên nhanh,
tiếp tục tăng tốc độ rơi v kích thích bồi kết hơn nữa.
Một quá trình quan trọng khác trong phát triển giáng thủy l sự
kết cụm, liên
kết hai tinh thể băng để tạo thnh một tinh thể đơn lớn hơn. Sự kết cụm xuất hiện
dễ nhất khi các tinh thể băng có một lớp áo mỏng bằng nớc lỏng để lm cho chúng
dễ dính hơn. Nớc nh thế hay có nhất khi nhiệt độ mây không thấp hơn 0
o
C quá
nhiều, vậy sự kết cụm l quan trọng hơn ở phần ấm hơn của đám mây lạnh. (Có lẽ

253

bạn đã từng để ý thấy rằng những bông tuyết rất lớn thờng hay thấy hơn trong
thời gian tuyết đầu mùa còn ấm, trái lại với tuyết giữa đông.
Tổ hợp bồi kết v kết cụm cho phép các tinh thể băng lớn lên nhanh hơn nhiều
so với sự kết tụ hơi nớc vo băng. Trong thực tế, tốc độ lớn lên nhờ ba quá trình
ny cùng kết hợp lại tạo ra những tinh thể băng có kích thớc giáng thủy trong
khoảng một nửa giờ kể từ khi khởi đầu hình thnh băng. Khi các tinh thể băng bắt
đầu rơi, thì giáng thủy bắt đầu. Điều gì xảy ra với các tinh thể ny khi chúng rơi sẽ
quyết định kiểu giáng thủy.
Các kiểu giáng thủy
ở
vùng nhiệt đới, giáng thủy xuất hiện chủ yếu nhờ quá trình va chạm liên
kết, v vì thế chỉ có thể l ma.
ở các vĩ độ trung bình, nơi các tinh thể băng chiếm
u thế, giáng thủy l rắn hay l lỏng tùy thuộc vo trắc diện nhiệt độ không khí.
Nếu giáng thủy đạt tới bề mặt m cha có sự tan băng, thì chúng ta thấy tuyết.
Nếu nó tan trên đờng rơi xuống, nó có thể tới bề mặt dới dạng ma. Nhng
những giọt ma đôi khi lại bị ngng kết lần nữa trớc khi hoặc ngay sau khi đạt tới
bề mặt, thì khi đó chúng ta có một kiểu giáng thủy khác. Bây giờ chúng ta xem xét
các kiểu giáng thủy.
Tuyết
Tuyết sinh ra do những tinh thể băng lớn lên trong quá trình kết tụ, bồi tụ v
kết cụm. Các tinh thể băng trong mây có thể có rất nhiều hình dạng khác nhau: đĩa
6 cạnh, trụ tuyết, kim đặc hoặc rỗng v cây nhiều nhánh di v mảnh (hình 7.8).
Cấu trúc tuyết tùy thuộc vo những điều kiện nhiệt độ v độ ẩm tồn tại trong khi
tinh thể hình thnh.
Nếu ton bộ quá trình tăng trởng tinh thể diễn ra trong các điều kiện tơng
tự, thì cấu trúc tuyết có thể rất đơn giản. Mặt khác, nếu điều kiện nhiệt độ v độ
ẩm thay đổi trong khi tăng trởng, một hỗn hợp phức tạp gồm đĩa, kim v cây
nhiều nhánh có thể phát triển. Ví dụ, ta xem xét một tinh thể xuất sinh ở đỉnh
trên, lạnh của mây v từ từ rơi qua một môi trờng ấm hơn. Vì mỗi tổ hợp của độ

ẩm v nhiệt độ có xu thế khuyến khích hình thnh một kiểu cấu trúc khác nhau,
nên tinh thể có thể có một hình dạng cụ thể tại nhân của nó kết hợp với các hình
dạng khác chồng lên trên.
Các bông tuyết gồm rất nhiều hình dạng v kích tthớc. Chúng có thể nhỏ bé
khoảng 50
m hoặc lớn đến 5 mm. Nếu quá trình tăng trởng chủ yếu l bồi tụ
(trờng hợp trong những đám mây tơng đối ấm), các tinh thể có xu hớng hình
thnh mảng tuyết dy mềm lý tởng cho trò chơi ném tuyết nhng bất lợi với xe co
tuyết. Trái lại, tuyết rất lạnh thờng hình thnh những bông tuyết bé nhỏ tích tụ
trên mặt đất với mật độ thấp hơn. Do nhiệt độ của chúng thấp, những tinh thể ny
có độ dính kém v khó kết mảng. Ngời trợt tuyết gọi kiểu tuyết ny l
bột.
Hình 7.9a l bản đồ phân bố lợng tuyết trung bình năm ở Canađa v Mỹ.
Trên bộ phận phía tây của Bắc Mỹ, phân bố lợng tuyết đợc quyết định chủ yếu

254
bởi sự hiện diện của những dãy núi hớng bắc nam (Coast Range, Sierra Nevada,
Cascades v Rocky), những dãy núi ny tạo nên dòng thăng địa hình v tăng cờng
giáng thủy khi các hệ thống bão đi qua. Tại những độ cao lớn, những dãy núi ny có
các nhiệt độ mùa đông đủ thấp để phần lớn giáng thủy xuất hiện dới dạng tuyết.
Trên hai phần ba diện tích phần lục địa phía đông, lợng tuyết trung bình tăng
theo vĩ độ, chủ yếu l do các vĩ độ cao có nhiệt độ thấp hơn thuận lợi cho sự hình
thnh tuyết hơn l ma.
Phân bố lợng tuyết năm (hình 7.9a) khá tơng phản với phân bố lợng giáng
thủy lợng ma cộng với lợng nớc tơng đơng của tuyết. Giáng thủy trên 2/3
diện tích phần phía đông của Bắc Mỹ giảm theo vĩ độ chứ không tăng, phần nhiều
l do khoảng cách tới vịnh Mexico xa hơn nên hơi nớc trong không khí ít hơn. Hơn
nữa, những nhiệt độ thấp điển hình gặp thấy tại các vĩ độ cao hơn lm giảm lợng
hơi nớc có thể tồn tại trong không khí. Hãy lu ý đến sự giảm giáng thủy về phía
tây trên miền bình nguyên Great Plains, đó l do các dãy núi Rocky gây nên một

vùng khuất ma ở phía khuất gió của chúng.
Một đặc điểm phân bố tuyết không thể hiện trên hình 7.9 l vùng lợng tuyết
tăng xuất hiện ở hớng xuôi gió của vùng hồ lớn Great Lakes (v các thủy vực lớn
khác). Vì không khí lạnh từ hớng bắc hoặc hớng tây bắc thổi bên trên các hồ, nó
giữ ấm thậm chí đến đầu mùa đông, nhiệt lợng v hơi nớc đợc vận chuyển lên
trên cao v lm cho không khí ẩm v bất ổn định. Khi không khí vợt qua bờ, các
hiệu ứng địa hình, thảm thực vật v những thnh tạo khác của bề mặt đất lm tốc

255
Hình 7.9. (a) L~ợng tuyết trung bình năm, (b) giáng thuỷ trung bình năm ở Canađa v Mỹ

256
độ gió chậm lại. Giảm tốc độ gió gây ra hội tụ, một cơ chế lm cho không khí thăng
v bị lạnh đi đoạn nhiệt nh đã mô tả ở chơng 6. Nh vậy, không khí lạnh đi qua
các hồ nớc cung cấp ba cơ chế thuận lợi cho giáng thuỷ: cơ chế thăng ban đầu,
không khí bất ổn định v độ ẩm đầy đủ.
Hiện tợng ny gọi l hiệu ứng hồ nớc (hình 7.10), thờng tạo thnh ma
tuyết hạn chế trên một dải đất di vo khoảng từ 1 đến 80 km v mở rộng hơn 100
km vo phía trong đất liền. (Nó cũng có thể lm tăng lợng tuyết khi các hệ thống
bão đi qua bên trên hồ). Tuyết hiệu ứng hồ thờng phổ biến dọc theo phần phía bắc
của bán đảo Upper Peninsula, Michigan, một phần của bán đảo Lower Peninsula
dọc theo hồ Michigan v các bờ phía nam của hồ Erie v Ontario. Nó thờng hay
xảy ra nhất vo cuối thu v đầu đông, khi các hồ nớc vẫn còn ấm.
Hình 7.10. Tuyết nặng do hiệu ứng hồ n~ớc ở Buffalo, New York
Mùa đông năm 1976-1977 l một trong các mùa đông đáng nhớ nhất về lợng
tuyết do hiệu ứng hồ tại vùng hồ lớn Great Lakes, trong 51 ngy tuyết rơi do hiệu
ứng hồ lợng tuyết đã tích lũy kỷ lục trên ton bang New York. 103 cm tuyết rơi
trong thời gian 4 ngy từ cuối tháng 11 đến đầu tháng 12 tại Buffalo đã l một
điềm báo trớc về điều sắp xảy ra. Đến cuối tháng 1, Buffalo đã nhận đợc 3,6 m
tuyết trong thời kỳ ba tháng bắt đầu từ ngy 1/11.

ở phần phía bắc New York, nằm
ở hớng xuôi gió của hồ Ontario, thậm chí trữ lợng tuyết còn lớn hơn, 9,5 m tuyết
đã rơi trong một mùa đông ấy.
Tuyết hiệu ứng hồ nớc cũng có thể xảy ra trên phần phía bắc của hồ Ontario.
Ví dụ, tháng 1 năm 1999, Toronto đã xảy ra một chuỗi các trận bão mang theo hầu
nh 120 cm tuyết - kỷ lục tháng nhiều năm của thnh phố ny. Lợng tuyết ny đã
rơi tập trung vo hai tuần đầu của tháng 1, con số ny tơng đơng với lợng tuyết
năm trung bình tại đây.
Có một sự hiểu sai về tuyết cần phải tránh. Mặc dù một số ngời cho rằng phải
rất lạnh thì mới có tuyết rơi, không phải nh vậy. Rất lạnh thì có thể tuyết rơi

257
nhiều, nhng không bao giờ rất lạnh thì mới có tuyết nói chung. Bởi vì khối lợng
đợc bảo ton, những tinh thể băng bất kỳ no hình thnh thì phải hình thnh gắn
liền với sự tiêu phí một dung lợng hơi nớc của không khí. Tuy nhiên, chỉ có một
lợng nhỏ hơi nớc có thể tồn tại trong không khí ở những nhiệt độ rất thấp. V khi
không đợc cung cấp đủ hơi nớc, sự lạnh đi của không khí chỉ có thể lm kết tụ
một lợng băng rất hạn chế. Mặc dù vậy, vẫn có thể có một ít tuyết xuất hiện, bất
chấp nhiệt độ thấp nh thế no.
M~a
Nh chúng ta đã thấy, phần lớn giáng thuỷ ở vùng nhiệt đới xuất hiện l do
những đám mây ấm, nhiệt độ của chúng cao hơn điểm tan băng một chút. Hơn nữa,
nhiệt độ không khí ở phía dới mây lớn hơn nhiệt độ đóng băng nhiều, vì vậy ma
không bị đóng băng sau khi rời khỏi chân đám mây. Nh vậy, thực tế tất cả giáng
thủy ở vùng nhiệt đới l
moa, ngoại trừ trên các núi cao nh Kilimanjaro ở
Tanzania. Tại các vĩ độ trung bình, giáng thủy thờng bắt đầu bằng quá trình
Berbegon, nên phần lớn ma rơi l do tan tuyết rơi.
Ma ro. Đối lu có thể dẫn đến phát triển các mây tích v giáng thủy trong
vòng vi phút. Giáng thủy theo cơn từ những đám mây phát triển nhanh đó gọi l

giáng thủy ma ro. Giáng thuỷ ma ro có thể xảy ra hoặc thnh ma hoặc thnh
tuyết, nhng vì đối lu thờng mạnh nhất trong mùa ấm, giáng thủy ro thờng
hay xuất hiện thnh ma ro.
Trong một trận ma ổ định, các giọt ma có rất nhiều kích thớc. Trong một
trận ma ro, những hạt ma đầu tiên có xu thế l những hạt lớn v rơi xa cách
nhau, nhng sau một thời gian ngắn những giọt nớc lớn nhờng chỗ cho nhiều
giọt nớc nhỏ hơn. Điều xảy ra rất đơn giản: những giọt nớc lớn v nhỏ cùng bắt
đầu rơi từ chân đám mây, nhng các giọt lớn hơn có vận tốc dừng lớn hơn v đạt tới
bề mặt, trong khi các giọt nhỏ hơn vẫn còn đang rơi trong không khí.
Có một nhân tố khác thuận lợi cho các giọt nớc lớn xuất hiện ở lúc bắt đầu của
trận ma ro. Vì mất nhiều thời gian hơn để rơi qua không khí cha bão hòa, các
giọt nớc nhỏ dễ dng bốc hơi trớc khi tới bề mặt. (Tuy nhiên, sự bốc hơi sẽ giảm
sau một ít phút, khi các giọt nớc đầu tiên đã l
m
tăng đáng kể dung lợng ẩm của
không khí).
Hình dạng giọt ma. Một trong những chuyện hoang đờng thịnh hnh về
thời tiết l nói rằng những hạt ma có dạng giọt nớc mắt. Trong thực tế, các giọt
nớc ma đầu tiên có dạng hình cầu (hình 7.11a). Khi chúng lớn lên nhờ sự va
chạm v liên kết, vận tốc của chúng tăng v lực cản của gió mạnh hơn lm phẳng
chúng ở phía mặt dới để tạo cho chúng có hình dạng cái dù hoặc cây nấm (hình
7.11b). Vì mặt đáy của các giọt nớc bị phẳng, diện tích bề mặt lớn hơn lm tăng độ
cản của gió v dẫn đến thậm chí phẳng hơn nữa (hình 7.11c). Dần dần, lực cản của
gió lớn hơn sức căng bề mặt (sức căng bề mặt giữ các giọt nớc với nhau) v các giọt
bị vỡ thnh các giọt nhỏ (hình 7.11d). Những giọt nớc nhỏ sau đó lại bắt đầu lớn
lên nhờ sự va chạm v liên kết.

258
Các giọt nớc đang rơi bị vỡ giải thích tại sao sự va chạm v liên kết không tạo
ra những giọt nớc rất lớn. Nếu nh các giọt nớc lớn lên liên tục trên đờng rơi

xuống, chắc chúng có thể có kích thớc của quả bóng bn! Trong những điều kiện
đặc biệt, các giọt nớc có thể có đờng kính tới 5 mm hoặc hơn nữa, nhng hiếm khi
lớn hơn.
Hình 7.11. Các giọt n~ớc m~a không có hình giọt n~ớc mắt. Thoạt đầu chúng có dạng hình cầu
(a), nh~ng bị dẹt ở phía d~ới trong khi rơi (b). Vì bị dẹt v diện tích bề mặt phía d~ới lớn hơn
lm cho lực cản lớn hơn v tiếp tục bị dẹt (c). Dần dần, giọt n~ớc bị vỡ thnh những giọt nhỏ (d)
M~a tuyết v m~a đá
Khi một tinh thể băng đợc bổ sung khối lợng do bồi kết, cấu trúc sáu cạnh
ban đầu của nó trở nên mờ nhạt v các cạnh rõ rệt sắc nét của nó bị mi mòn. Băng
mới có thể chứa những bọt khí rất bé nhỏ lm cho nó có một kiến trúc xốp v vẻ
ngoi mu trắng sữa. Kiểu tinh thể băng đã thay đổi ny đợc gọi l
bông tuyết.
Các bông tuyết trắng có đờng kính đến 5 mm lm cho chúng có vận tốc dừng bằng
khoảng 2,5 m/s. Những viên tuyết có thể rơi tới mặt đất thnh giáng thủy, nhng
trong những hon cảnh khác chúng có thể bị giữ ở trong mây v trở thnh các nhân
để hạt ma đá hình thnh.
Moa đá cấu tạo từ những viên băng
đợc hình thnh thnh các lớp vỏ có
hình một vòng tròn gần nh đồng tâm
(hình 7.12). Hình 7.12 minh họa những
quá trình dịnh dạng hạt ma đá trong
một đám mây vũ tích. Đầu tiên, một
dòng thăng mang một viên tuyết hay
giọt nớc lên cao trên mực đóng băng để
tạo ra một nhân của một hạt ma đá.
Tại một điểm no đó, viên tuyết rơi khỏi
dòng thăng v va chạm với các giọt lỏng
bao bọc nó với một mng mỏng nớc
lỏng. Nếu viên tuyết lại bị nâng lên một
lần nữa lên trên mực đóng băng bởi một

Hình 7.12. Các hạt m~a đá lớn. Mỗi vòng
đồng tâm đ~ợc hình thnh trong một lần
đi lên phía trên mực đóng băng trong mây
dòng thăng, thì nớc lỏng lại bị ngng kết thnh băng v sinh ra lớp vỏ băng thứ
hai. Hiện tợng ny có thể lặp lại rất nhiều lần, với mỗi lần viên tuyết nâng lên

259
trên mực đóng băng thì lại hình thnh thêm một lớp vỏ bao cho hạt ma đá.
Kích thớc cuối cùng của viên ma đá đợc quyết định bởi cờng độ của các
dòng thăng những chuyển động thẳng đứng mạnh hơn có khả năng nâng lên
những viên đá lớn hơn. Mặc dù đa số các hạt đá có kích thớc bằng hạt đậu, chúng
có thể trở nên lớn nh những viên ngọc lam, quả bóng khúc côn cầu hoặc trong
những điều kiện dữ dội nhất có thể l quả bóng chy.
Hình 7.13. Sự hình thnh m~a đá. Các dòng thăng mang một phần tử đi lên độ cao
lạnh hơn của một đám mây v lớp vỏ n~ớc lỏng bao quanh viên băng bị đóng băng.
Khi viên đá ra khỏi dòng thăng v rơi xuống, nó trở nên ~ớt do va chạm với các giọt
n~ớc lỏng. Viên đá có bẫy một lần nữa bởi một dòng thăng v lớp vỏ n~ớc bao
quanh lại đóng băng. Khi quá trình ny diễn ra liên tục thì hình thnh m~a đá lớn
Các hạt ma đá về cơ bản cấu tạo từ băng với một lợng nhỏ không khí đợc
trộn lẫn trong đó. Do băng tơng đối đậm đặc bằng 90 % l nớc lỏng các hạt
ma đá có thể trở nên rất nặng. Hãy so sánh hạt ma đá v bông tuyết, phần lớn
không khí có trong thể tích của chúng. Các bông tuyết có khối lợng tơng đối nhỏ
v vận tốc dừng chậm, nên chúng rơi đong đa đến tới mặt đất v phát ra tiếng
động nhẹ. Ngợc lại, ma đá có tiếng động nh bắn hòn bi tới bề mặt. Bảng 7.1 liệt
kê các vận tốc dừng của những hạt ma đá có kích thớc khác nhau.
Bảng 7.1. Các vận tốc dừng của hạt m~a đá
rrv
t
20
3

1
==

( r (cm);
t
v ( m/s)
Bán kính (cm) Vận tốc dừng (m/s)
0,1 6
1,0 20
2,0 28
3,0 35
Hạt ma đá có kích thớc của quả bóng bn (bán kính khoảng 3,5 cm) chứa
khoảng 160 g đá v rơi xuống với vận tốc 40 m/s! Không ngạc nhiên khi chúng có

260
khả năng gây thiệt hại rất to lớn. Ma đá l một nỗi đe dọa lớn đối với vùng đồng
bằng Great Plains của nớc Mỹ (hình 7.14), ở đấy có thể phá hủy ton bộ đồng
ruộng, mùa mng trong vòng vi phút. Do chúng rất phổ biến vo mùa xuân v
mùa hè, nên sau ma đá phá hoại thờng rất muộn để thay thế bằng một vụ gieo
trồng mới.
Hình 7.14. Số trận m~a đá trung bình năm của n~ớc Mỹ
Ma tuyết
Ma tuyết hình thnh khi các giọt nớc ma bị đóng băng trong không khí khi
rơi xuống bề mặt. Vì đa số ma rơi bên ngoi vùng nhiệt đới đợc hình thnh từ
quá trình tạo tinh thể băng, ma tuyết bắt đầu l các tinh thể băng hay bông tuyết
rơi xuống. Khi ma rơi qua không khí, nó gặp lớp không khí ấm hơn v tan ra
thnh các giọt nớc ma. Nếu giọt nớc ma đang rơi sau đó gặp một lớp không khí
thấp hơn có nhiệt độ thấp hơn 0
o
C, nó có thể đóng băng để tạo thnh ma tuyết.

Quá trình ny, đợc thể hiện trên hình 7.15, tạo thnh những viên băng tựa trong
suốt có đờng kính khoảng 5 mm. Vì sự hình thnh ma tuyết đòi hỏi giọt nớc
phải rơi xuyên qua không khí lạnh hơn ở gần bề mặt hơn l bên trên, nên cần phải
có một nghịch nhiệt, thờng gắn liền với một fromt nóng (chúng ta sẽ xem xét trong
chơng 9).
Tất nhiên, một giọt nớc ma sẽ không đông kết ngay lập tức, phải có sự lạnh
đi đủ khi nó rơi trong không khí xung quanh. Vì vậy, để ma tuyết phát triển, lớp
không khí lạnh bên dới một nghịch nhiệt phải khá dy. Nếu nó quá mỏng một
dạng ma lạnh khác sẽ xảy ra, ma đông kết.

261
Hình 7.15. M~a tuyết xảy ra nh~ m~a rơi xuống từ đám mây, đi qua một lớp lạnh v bị
đóng băng thnh những viên băng. Hiện t~ợng ny phổ biến dọc theo các front nóng
M~a kết băng
Ma kết băng (hình 7.16) l một trong những sự kiện thời tiết dễ bị nhầm lẫn
hơn cả. Nó thờng giống nh một trận ma nhẹ không có gì để gây ra phiền phức
lớn. Tuy nhiên, trong thực tế ma kết băng có thể thực sự lm tê liệt giao thông v
liên lạc đối với hng trăm km
2
.
Hình 7.16. M~a kết băng
Ma kết băng bắt đầu khi có ma nhẹ hoặc ma phùn gồm các giọt nớc siêu
lạnh rơi vo không khí với nhiệt độ hơi thấp hơn 0
o
C một chút. Khi giọt nớc ma
chạm bề mặt, chúng lm thnh một mng nớc mỏng, nhng chỉ trong khoảnh
khắc. Ngay sau đó, nớc đông kết lại tạo thnh lớp vỏ băng mỏng liên tục.
Khi ma kết băng rơi xuống các xa lộ, mất ma sát lm cho điều kiện giao thông
vô cùng nguy hiểm. Sức nặng của băng tích lũy cũng có thể lm cho cây cối bị gẫy
v đờng dây điện v điện thoại bị nghiêng ngả hoặc đổ. Khi bạn hình dung những

262
đờng dây bị đổ, đờng bị nghẽn, mảnh vỡ tung tóe xung quanh, thì sẽ dễ thấy vì
sao ma kết băng có thể ảnh hởng nặng nề đến sinh hoạt của con ngời. Khi ma
kết băng gắn liền với những hệ thống bão di chuyển chậm v do đó có thể kéo di
trong vi ngy, thì vấn đề còn tồi tệ hơn nữa.
7-2 Những nguyên lý vật lý:
Kích thớc hạt ma đá v thiệt hại
Bạn có thể phân vân tại sao những
hạt ma đá to gây thiệt hại nhiều hơn so
với hạt nhỏ. Tất cả chỉ l ở chỗ bao nhiêu
đá rơi xuống mặt đất v nhiều viên đá
nhỏ thì có tơng đơng với một số ít hơn
các viên đá lớn hơn hay không? Nh đã
thấy, điều ny khác xa với sự thật. Thiệt
hại do ma đá gây nên tăng rất nhanh
theo kiểu phi tuyến với kích thớc các hạt
ma đá. Vấn đề l lợng động năng m
viên đá mang theo khi nó rơi tới bề mặt.
Động năng phụ thuộc vo khối lợng
(
m) v tốc độ (v) theo công thức
2
2
1
mv=
KE .
Khối lợng của một viên đá bằng
mật độ
)(

nhân với thể tích của nó:
3
3
4
r

.
Vận tốc có thể tìm đợc bằng cách
dùng công thức ở bảng 7.1. Vậy ta có thể
viết nh sau:
()
rr
23
20
3
4
2
1
á
ạ
ã
ă
â
Đ
=

KE .
Thấy rằng, động năng của một viên
đá tỷ lệ với lũy thừa bậc bốn của bán

kính. Nh vậy, một viên đá với bán kính
1 cm tác dụng va đập mạnh không phải
gấp đôi, m l gấp 16 lần so với viên đá
bán kính 0,5 cm.
Hình 7.17. L~ợng giáng thủy trung bình năm của thế giới
Đo giáng thủy
Vì tầm quan trong của giáng thủy đối với những hoạt động hng ngy, nên

263
không có gì ngạc nhiên l giáng thủy đợc đo tại rất nhiều nơi. Chính vì giáng thủy
xuất hiện dới một số kiểu khác nhau, nên có các loại máy đo khác nhau đang tồn
tại để quan trắc giáng thủy. Mỗi phơng pháp có những u điểm v nhợc điểm
riêng. Hình 7.17 cho thấy phân bố giáng thủy trung bình năm theo số liệu quan
trắc thời tiết trên ton cầu.
Các máy đo m~a
Lợng ma thờng đợc đo bằng máy đo ma (raingage) (hình 7.18a). Những
máy đo ma chuẩn có các bề mặt phễu gom nớc với bán kính 20,3 cm. Nớc ma
chảy qua phễu vo một ống có diện tích bằng 1/10 diện tích bề mặt phễu gom nớc,
vì vậy độ cao của nớc tích lũy phải tăng lên 10 lần. Sự khuyếch đại đó cho phép
chúng ta đo mực nớc ma một cách chính xác bằng cách thả một thớc chia độ
chuẩn vo trong nớc, lấy nó ra v đọc độ cao của phần ngập nớc trên thớc giống
nh kiểm tra dầu bằng một que dìm vo trong dầu. Chú ý rằng thớc đo có thang
chia độ tơng thích sao cho gạch 1 cm tơng ứng với 10 cm thực tế kể từ đáy ống.
(b)
(a)
Hình 7.18. Máy đo m~a chuẩn với các bộ
phận cấu thnh (a). N~ớc m~a gom đ~ợc
bởi đầu gom (d~ới trái) chảy vo một ống
hẹp (phải). Th~ớc chuẩn độ chia nhúng vo
ống gom n~ớc v độ di của phần bị ~ớt

chỉ l~ợng m~a tích lũy. Chi tiết bên trong
của máy đo m~a kiểu thùng đảo ng~ợc (b)
Máy đo ma loại thùng đảo ngoợc (tipping-bucket gage) l máy có đầu gom tự
động (hình 7.18) cho chúng ta băng ghi về thời gian v cờng độ ma. Dụng cụ ny
thu gom nớc ma từ trên đỉnh, giống nh máy đo ma chuẩn, nhng khi nớc tích
lũy nó đợc chứa vo một trong hai chiếc thùng quay quanh trục. Một chiếc thùng
luôn thẳng đứng hớng lên trên, còn chiếc thùng thứ hai đợc gắn vo đầu mút đối
diện của một đòn bẩy, hạ xuống dới so với phễu gom nớc. Khi thùng thẳng đứng

264
hớng lên trên gom nớc ma tơng đơng với một độ cao nhất định (thờng l
0,01 in.), trọng lợng của nớc lm cho nó bị đảo ngợc lại, đổ hết nớc ra v nâng
chiếc thùng đối diện lên vị trí thẳng đứng hớng lên trên. Sự quay của các thùng
quanh trục gửi một dòng điện đến máy tính để ghi nhận chính xác thời gian của sự
kiện. Số lần đảo trong một đơn vị thời gian chỉ thị cờng độ ma. Các máy ghi kiểu
cũ hơn sử dụng một trống xoay v một máy in để tạo ra một băng ghi đồng dạng
của cờng suất ma.
Các
máy đo moa kiểu thùng cân (weighing-bucket raingage) tơng tự nh các
máy đo ma kiểu thùng đảo ngợc, chỉ khác l những lợng nớc ma tích lũy mới
liên tiếp đợc ghi nhận. Một cơ chế cân trong các máy ny chuyển đổi trọng lợng
nớc tích lũy trong máy đo ma thnh độ cao lợng ma v thông tin đợc lu giữ
tự động.
Các máy đo ma gặp thấy ở hầu hết các trạm đo thời tiết, chúng lm cho số
liệu giáng thủy rất phong phú tại các nớc kinh tế phát triển. Số liệu ma rất hiếm
tại phần còn lại của thế giới, đặc biệt l bên trên hơn 70 % bề mặt Trái Đất do đại
dơng bao phủ. Hơn nữa, độ chính xác quan trắc l quan trọng (thậm chí với các
máy hiện đại), do các vấn đề nh bốc hơi từ máy đo, gió có thể ngăn cản ma rơi vo
dụng cụ đo v những nhân tố khác.
Các sai số quan trắc của máy đo ma. Chúng ta có xu hớng tin tởng

hon ton vo số đo nhận đợc từ máy đo ma, nhng đáng tiếc các số đo đó có các
nguồn sai số cố hữu. Trớc hết, đó l những số đo theo điểm, nghĩa l chúng đại
diện cho lợng ma đã rơi tại chỉ một điểm hay một vị trí riêng lẻ chứ không phải
cho cả một đờng phố, một khoảng cách 100 m, hoặc một khối phố. So với nhiệt độ
không khí, lợng ma biểu lộ những biến thiên lớn trên các vị trí khác nhau, cho
nên chúng ta gặp một số khó khăn khi muốn khái quát hóa từ các số đo của máy đo
ma. Đây không chỉ lm hỏng cố gắng để ớc lợng lợng ma tại các điểm không
có dụng cụ đo, m còn lm cho việc lập bản đồ phân vùng ma rất phức tạp.
Các máy đo ma có những nhợc điểm khác. Thứ nhất, chuyển động rối do gió
ở gần đỉnh của máy đo lm chệnh lợng ma khỏ bề mặt gom nớc, dẫn đến một
ớc lợng thiên thấp (đặc biệt với tuyết). Trong số lợng ma vo đợc đầu gom của
máy đo ma, một lợng nhất định không đợc ghi nhận một số bị bắn tung tóe ra
ngoi do tác động, còn một số thì bị giữ thnh một lớp mỏng không tích tụ tại đáy
của ống gom nớc. Vo những ng
y nóng v gió, một lợng nớc tích lũy bốc thnh
hơi trớc khi đọc số liệu ma.
Một số lỗi quan trắc khác có hiệu ứng đối lập v tạo nên một ớc lợng thiên
cao về lợng ma. Giống nh nớc có thể bắn tung tóe ra ngoi máy đo ma, thì
nớc có thể nhảy từ mặt đất xung quanh vo trong đầu gom nớc. Một cách tơng
tự, gió có thể lm cho tuyết bị cuốn từ các bề mặt gần đó vo trong máy đo. Các sai
số ny có thể ảnh hởng đến lợng nớc trong máy đo ma ngay cả trong trờng
hợp đợc kiểm tra rất cẩn thận. Một số lỗi khác có thể xảy ra, nh sau lần đo cuối
cùng cha đổ hết nớc khỏi thùng gom, đặt máy trên bề mặt không ngang bằng,
hoặc lm vơng vãi một lợng nớc đã tích lũy ra ngoi. Tại những trạm thời tiết

265
vận hnh tốt, ở đó các điều kiện đợc kiểm tra, các sai số nh đã nêu trên đây
thờng rất nhỏ. Tuy nhiên, hãy hình dung việc thực hiện các quan trắc tin cậy về
lợng ma trên tu hoặc phao nổi khó khăn nh thế no. Bề mặt của máy đo ma
có thể giữ nằm ngang ở mức độ sn tu rung rinh v lắc l cho phép, còn để ngăn

gió thổi nớc biển vo máy đo ma thì cực kỳ khó. Vì vậy, số liệu ma đối với 3/4
diện tích bề mặt Trái Đất bị đại dơng bao phủ không chỉ tha thớt (chủ yếu giới
hạn ở các tuyến hng hải), m chất lợng cũng đáng nghi ngờ.
Điều rút ra ở đây l phân bố lợng ma cha đợc quan trắc tốt nh chúng ta
mong muốn, cha đợc quan trắc tốt thích đáng với tầm quan trọng to lớn của nó
đối với nông nghiệp v sinh hoạt của con ngời. Hình 7.19 thể hiện những sai số
máy đo ma ớc lợng cho thế giới dựa trên một nghiên cứu mới đây có áp dụng
những kỹ thuật ớc lợng v hiệu chỉnh sai số. Những sai số nặng nhất xảy ra ở các
vùng vĩ độ cao v trên đại dơng đôi khi vợt quá 80 % giá trị thực. Rõ rng, những
số liệu quan trắc máy đo m
a ch hiệu chỉnh
phải đợc dùng một cách thận trọng.
Hình 7.19. Phân bố ton cầu các sai số phần trăm của l~ợng m~a năm quan trắc
Quan trắc ma bằng rađa thời tiết. Trong những năm gần đây, mạng lới
các trạm đo ma đã tăng thêm nhờ các quan trắc rađa. Mặc dù rađa sẽ đợc bn chi
tiết hơn trong chơng 11, ở đây chúng ta có thể nói rằng rađa có thể đo cờng độ
ma bằng cách phát ra bức xạ vi sóng với bớc sóng bằng một vi cm. Các giọt nớc
ma, tinh thể băng v hạt ma đá có thể tán xạ bức xạ đã phát ngợc trở lại rađa,
nó ghi nhận cờng độ của bức xạ tán xạ ngợc. Nói chung, bức xạ phát tán ngợc
cng mạnh thì giáng thủy cng mạnh. Các nh khí tợng học đã phát triển những
sơ đồ liên hệ cờng độ bức xạ với cờng độ giáng thủy.

266
Bức xạ không phát ra liên tục từ máy phát, m chỉ trong những thời khoảng
rất ngắn bị xen kẽ bởi những khoảng dừng ngắn. Thời gian đủ cho phép từng xung
bức xạ phản hồi trở lại máy phát/máy thu trớc khi chùm tia tiếp theo đợc phát.
Khu vực giáng thủy cng gần với rađa, thì xung sẽ trở lại rađa cng nhanh. Nhờ đo
cờng độ của bức xạ trở lại v thời gian để nó kịp quay trở về nguồn phát, một thủ
tục có thể thực hiện để tính ra lợng giáng thủy v khoảng cách từ khu vực giáng
thủy đến rađa.

Máy phát/máy thu quay chầm chậm khi phát v nhận các chùm tia rađa, vì
vậy thu đợc sơ đồ 2 chiều về giáng thủy trên vi trăm km kể từ rađa. Thông tin có
thể đợc hiển thị v lu giữ liên tục, vì thế m tổng lợng giáng thủy xảy ra trên
một vùng khá rộng có thể đợc đánh giá (hình 7.20). Những số liệu quan trắc nh
vậy đã tỏ ra đặc biệt hữu ích để đa ra dự báo hạn ngắn hạn về lũ lụt tiềm năng.
Hình 7.20. Ước l~ợng giáng thủy thể hiện bằng rađa Doppler
Quan trắc tuyết
Các máy đo ma hon ton không tin cậy nếu giáng thủy xuất hiện l tuyết, do
tuyết bị bẫy có thể lm tắc nghẽn lỗ vo của ống gom. Để có đợc một ớc lợng về
lợng giáng thủy trong môi trờng ny, chúng ta đo độ cao của tuyết tích lũy.
Đoơng loợng noớc của tuyết, đó l độ cao nớc có thể có nếu tất cả tuyết bị tan

267
chảy, khi đó có thể đợc ớc lợng sơ bộ nếu sử dụng một tỷ lệ chuyển đổi 10:1. Mặc
dù tỷ lệ 10 trên 1 thờng đợc sử dụng, trong thực tế tỷ lệ của độ cao tuyết với
lợng nớc tơng đơng có thể rất lớn từ khoảng 4:1 đến thậm chí 50:1.
Trên các vùng núi xa, cụ thể ở phần phía tây của Mỹ v Canađa, những quan
trắc về thảm tuyết đã đợc thực hiện hng thập kỷ nay với hng trăm tuyến đo
tuyết. Thông thờng khoảng 10 quan trắc đợc thực hiện tại mỗi tuyến đo bằng
cách nhấn sâu ống gom vo tuyết, lấy ống v ruột ra, đem cân bằng cân lò xo. Trọng
lợng của ống đầy tuyết tỷ lệ thuận với đơng lợng nớc của thảm tuyết, v con số
trung bình của 10 số đo hoặc đại loại nh vậy đợc dùng lm giá trị đại diện.
Mấy năm gần đây, những quan trắc tuyến tuyết bằng tay đã nhờng chỗ cho
việc sử dụng các máy đo tuyết tự động. Máy đo tuyết tự động l những tấm đệm
không khí lớn đợc chứa đầy một chất lỏng chống đông kết v kết nối với máy ghi
áp suất. Khi tuyết tích tụ bên trên tấm đệm, trọng lợng tăng lên đợc ghi nhận v
chuyển đổi thnh đơng lợng nớc. Những dụng cụ ny có các thiết bị vô tuyến có
thể truyền số liệu về một trạm thu nhận trung tâm. Thật thú vị, các tín hiệu vô
tuyến đã phát ra đợc phản xạ ngợc lại tới trạm thu bởi những thiên thạch ở tầng
khí quyển bên trên.

Gieo mây nhân tạo
Từ cuối những năm 1940, ngời ta đã thử gây giáng thủy từ các đám mây,
phần lớn l để giảm bớt hạn hán. Quá trình ny gọi l gieo mây nhân tạo: ngời ta
thổi một trong hai vật vo trong các đám mây không tạo ma. Mục đích l chuyển
đổi một số giọt nớc siêu lạnh trong một đám mây mát thnh băng v tạo ra giáng
thủy nhờ quá trình Bergeron.
Một trong số các vật liệu, băng khô (CO
2
đông kết băng), kích thích sự đóng
băng vì nhiệt độ của nó rất thấp (dới 78
o
C). Khi đợc đa vo trong mây, băng
khô lm giảm nhiệt độ của các giọt nớc sao cho sự đông kết có thể xảy ra bằng các
nhân đồng nhất. (Hãy nhớ lại rằng tại nhiệt độ thấp hơn khoảng 40
o
C, các giọt
nớc không cần các nhân băng để đóng băng). Đá khô có thể đợc đa vo mây
bằng cách phun bột rất mịn của vật liệu từ máy bay bay xuyên đám mây.
Hóa chất thứ hai để gieo mây đó l
bạc iốt, nó khởi động quá trình Bergeron
thông qua tác động nh một nhân băng tại nhiệt độ cao -5
o
C. Bạc iốt l một nhân
băng hiệu quả cao nhờ cấu trúc sáu cạnh đặc hữu của nó. Giống nh băng khô, bạc
iốt có thể đợc đa trực tiếp vo đám mây từ máy bay. Thờng xuyên hơn, nó đợc
trộn lẫn với một vật liệu tạo ra khói khi bắt lửa tại những nguồn cháy trên bề mặt
đất. Sau đó các dòng thăng mang khói v bạc iốt lên đám mây. Nếu một bộ phận
của mây đợc gieo đủ lạnh, thì một số giọt nớc siêu lạnh sẽ đóng băng v khởi
động quá trình Bergeron.
Tính hiệu quả lợi nhuận của việc gieo mây nhân tạo đang l vấn đề tranh cãi.

Trong những hon cảnh lý tởng, nó có thể bổ sung thêm lợng cung ứng nớc no
đó. Lấy trờng hợp của Sierra Nevada lm ví dụ, nó cung cấp nhiều nớc cho
California v Nevada. Trong điều kiện gió, nhiệt độ v độ ẩm phù hợp, bạc iốt phát