Thời tiết và khí hậu - Phần 1 Năng lượng và khối lượng - Chương 4 doc

Ch ơng 4
áp suất khí quyển v

gió

Gió có thể gây tác động trực tiếp lên cảm giác của chúng ta kể cả trong điều
kiện thời tiết dịu nhất. Một cơn giã nhĐ cã thĨ l m cho mét bi chiỊu nóng nực trở
nên dễ chịu hơn, hoặc nó có thể l m cho một đêm đông trở th nh rất lạnh. Nh ng
đôi khi, chuyển động không khí có thể tác động tới cuộc sống chúng ta theo những
cách mạnh mẽ hơn nhiều. C dân các vùng phía đông Washington v Oregon vÉn
nhí m·i vỊ ®iỊu n y v o ng y 25 tháng 9 năm 1999, khi ấy gió mạnh tới 135 km/giờ
gây nên một trận bÃo cát mù mịt kéo theo một loạt tai họa. Trong ng y hôm ấy, 6
ng ời bị thiệt mạng, 23 ng ời bị th ơng, nhiều đoạn đ ờng cao tốc bị ngõng trƯ
ho n to n trong nhiỊu giê. §iỊu tåi tệ nhất trong số các tai họa giao thông đà xảy
ra trên xa lộ liên bang số 84 ở vùng đông bắc Oregon. Ông gi 58 tuổi Harold Fell
đà diễn tả lại trải nghiệm của mình: Một chiếc xe tải 18 bánh đà lao vụt qua chúng
tôi v điều tiếp sau m tôi đ ợc biết l nó dừng sững ngay giữa đ ờng. Nó đứng
sừng sững ngay tr ớc mặt tôi. Fell v vợ ông chỉ bị th ơng nhẹ, nh ng chắc chắn
họ phải thấy mình đà may mắn l m sao khi đ ợc chứng kiến cảnh t ỵng tai häa v
nhËn ra 4 ng êi thiƯt mạng giữa đống vỡ vụn của 16 chiếc xe khác bị dính.
Dù l chúng ta thi thoảng có quan tâm ®Õn t×nh h×nh giã, song Ýt ng êi trong
chóng ta chó ý nhiỊu tíi mét th nh tè rÊt liªn quan của thời tiết - đó l áp suất khí
quyển. Thử hỏi, đà bao nhiêu lần bạn hủy bỏ cuộc dà ngoại bởi áp suất rất thấp?
Hay bạn thấy bao nhiêu ng ời có quần áo chuyên dụng cho những ng y áp cao?
Mặc dù hiếm khi đ ợc chú ý ®Õn trong cuéc sèng h ng ng y, nh ng áp suất
không khí ảnh h ởng rất sâu sắc tới những thông số thời tiết khác có tác động một
cách trực tiếp hơn nhiều. Ví dụ, những biến thiên theo ph ơng ngang của áp suất
khí quyển l nguyên nhân trực tiếp của chuyển động gió. V bởi vì không khí giáng
xuống ở các khu vực áp suất bề mặt cao v thăng lên ở các vùng áp suất bề mặt
thấp, nên những chênh lệch áp suất tác động mạnh tới xác suất hình th nh mây v
giáng thủy.

Ch ơng n y giới thiệu những khái niệm cơ bản về áp suất v phân bố áp suất
theo ph ơng thẳng đứng v ph ơng ngang. Chúng ta xem xét quan hệ giữa áp suất
v những tham số khí quyển khác, các quá trình gây nên biến đổi áp suất theo
ph ơng ngang v thẳng đứng. Trên cơ sở n y, chúng ta có thể tiến tới xem xét các
hình thế bÃo ở những ch ơng sau.
Khái niệm về áp suất

Khí quyển chứa một số l ợng lớn các phân tử khí bị lôi kéo về phía Trái Đất bởi


127


lực trọng tr ờng. Các phân tử n y tác động một lực lên tất cả các bề mặt m chúng
tiếp xúc v phần lực n y tác động lên một đơn vị diện tích bề mặt l áp suất (xem
chuyên mục 4-1: Những nguyên lý vật lý: Vận tốc, gia tốc, lực v áp suất). Tất
nhiên, khái niệm áp suất không chỉ liên quan tới khí t ợng học, m l cơ sở của tất
cả các khoa học vật lý. Trong hầu hết các ứng dụng khoa học vật lý, đơn vị chuẩn
của áp suất l Pascal (Pa), nh ng ở Mỹ, các nh khí t ợng dùng milliba (mb), bằng
100 Pa. Các nh khí t ợng ở Canađa lại sử dụng một đơn vị khác - kilôpascal (kPa),
bằng 1000 Pa, hay 10 mb. Để so sánh, áp suất tại mực n ớc biển điển hình bằng
khoảng 1000 mb (100 kPa) hoặc chính xác hơn l 1013,2 mb.

Hình 4.1. Chuyển động của các phân tử không khí (biểu diễn bằng các chấm với những mũi
tên) trong một hộp chứa kín tác động một áp suất lên các th nh bên trong (a). áp suất có thể
tăng lên bằng cách l m tăng mật độ các phân tử (b) hoặc l m tăng nhiệt độ (c). Tốc độ của
các phân tử (v do đó nhiệt độ) đ ợc biểu diễn bằng mức độ xám v độ d i của các mũi tên.

128

§Ĩ hiĨu c¸c tÝnh chÊt cđa ¸p st, h·y xem hình 4.1 mô tả một hộp không khí
đóng kín. Các phân tử khí bị giam không ngừng chuyển động qua lại v tác động
một áp suất lên th nh phía trong của hộp (a). áp suất không khí tỷ lệ thuận với số
lần va chạm giữa phân tử khí v th nh hộp. Chúng ta có thể l m tăng áp suất bằng
hai cách. Cách thứ nhất l tăng mật độ không khí bằng cách bơm không khí v o
hộp hoặc l m giảm thể tích hộp (b). Cách thứ hai l l m tăng nhiệt độ không khí,
trong tr ờng hợp n y, các phân tử khí tác động áp suất lớn hơn vì chúng chuyển
động nhanh hơn (c). Nh vậy, áp suất thể hiện cả mật độ v nhiệt độ của chất khí.
Nếu không khí trong hộp l một hỗn hợp các chất khí (nh trong khí quyển),
mỗi chất khí gây ra l ợng áp suất riêng của nó, gọi l áp suất riêng phần. áp suất
tổng cộng tác động bằng tổng của các áp suất riêng phần. Quan hệ n y đ ợc biết
đến nh l định luật Dalton.
Trên Trái Đất, hộp chứa đ ợc bao quanh bởi khí quyển, nó tạo ra áp suất lên
th nh hộp bên ngo i. Bây giờ, xem điều gì sẽ xảy ra nếu chúng ta mở nắp hộp hoặc
l m một lỗ thủng ở cạnh hộp. Nếu áp suất ở bên ngo i hộp chứa lớn hơn áp suất ở
bên trong, không khí bên ngo i sẽ bị dồn v o bên trong cho đến khi áp suất bằng
nhau. (Lực để tạo cân bằng n y chính l cái đà tạo ra tiếng rít khi bạn mở một hộp
c phê đ ợc rút chân không). Mặt khác, nếu nh áp suất ở bên trong hộp chứa lớn
hơn, không khí sẽ bị dồn ra ngo i cho đến khi áp suất bên trong giảm để bằng
không khí xung quanh. Trong cả hai tr ờng hợp, trong khoảnh khắc áp suất không
khí tác động lên phía ngo i của hộp chứa sẽ trở th nh đúng bằng áp suất ở bên
trong. Thí dụ n y dẫn ta đến một đặc điểm khác của không khí: nó luôn di chuyển
để tạo ra một sự cân bằng giữa các khu vực áp suất cao v thấp.
Cái m chúng ta trải nghiệm đ ợc nh l áp suất khí quyển thực ra l khối
l ợng của không khí ở bên trên chúng ta bị lôi kÐo xng phÝa d íi bëi träng lùc.
Nãi c¸ch kh¸c, áp suất tại điểm n o đó phản ánh khối l ợng khí quyển bên trên
điểm ấy. Khi chúng ta c ng đi lên cao trong khí quyển, khối l ợng khí quyển phía

trên phải giảm v áp suất cũng phải giảm. Chúng ta cảm nhận đ ợc sự thay đổi đó,
ví dụ trong chiếc thang máy đi lên nhanh, ở đó sự giảm áp suất có thể dẫn đến ù
tai. Nhớ rằng áp suất l biến duy nhất luôn giảm theo ph ơng thẳng đứng trong số
các biến khí quyển. Các biến khác (nh nhiệt độ, độ ẩm v mật độ) không nhất
thiết phải diễn biến nh vậy. Mặc dù thực tế l khí quyển bị lôi cuốn xuống phía
d ới bởi trọng lực, áp suất tác động nh nhau trong tất cả các h ớng - lên trên,
xuống d íi v sang ngang. H·y nhí l¹i tr êng hợp hộp chứa đóng kín m chúng ta
vừa mô tả với áp suất bên trong lớn hơn bên ngo i. Bất kể l hộp chứa bị khoan lỗ
trên một cạnh hộp, ở đáy hộp hay ở đỉnh hộp thì áp suất lớn hơn ở bên trong vẫn
l m cho không khí bị đẩy ra ngo i.
Đây l một cách khác để nhận ra thực tế l áp suất không khí tác động nh
nhau trong tất cả các h ớng. HÃy giữ cho cánh tay bạn thẳng ngang. Không khí
đẩy lên cánh tay bạn, không chỉ đẩy xuống phía d ới, còn đẩy dọc theo cánh tay v


129


ho n to n nh nhau ®Èy tõ phÝa d ới lên. * Nếu nh áp suất chỉ tác động xuống
d ới, trọng l ợng của không khí sẽ lớn đến nỗi thậm chí ng ời khỏe nhất cũng
không thể giang cánh tay ra đ ợc. Trọng l ợng lớn n y lớn nh thế n o? Trong điều
kiện bình th êng t¹i mùc n íc biĨn, lùc n y bằng 14,7 pao trên mỗi inch vuông
đó l một tải trọng rất nặng đối với một cánh tay thậm chí ngắn.
Biến thiên áp suất theo ph ơng thẳng đứng v ph ơng ngang

Để hiểu về gió, chúng ta cần đo v so sánh các chênh lệch về áp suất tăng tại
những vị trí khác nhau, bởi vì những chênh lệch đó tạo ra các chuyển động ph ơng
ngang của không khí. Nh ng công việc n y phức tạp do một thực tế l cao độ thay
đổi từ nơi n y đến nơi khác. (Nhớ lại rằng các cao độ lớn có áp suất thấp, đơn giản
vì ở đó không khí bên trên ít hơn). Nếu chúng ta chỉ dùng số liệu đo bề mặt để so

sánh, thì không thể phân tách các hiệu ứng của cao độ ra khỏi các chênh lệch áp
suất gây gió. Để khắc phục vấn đề n y, các nh khí t ợng học ®· dïng kh¸i niƯm
¸p st mùc n íc biĨn.
¸p st bề mặt l áp suất thực sự quan trắc đ ợc tại một vị trí cụ thể, còn áp
suất mực biển l áp suất sẽ tồn tại nếu nh điểm quan trắc nằm tại mực n ớc biển.
Vì phần lớn bề mặt đất đều ở bên trên mực biển, nên áp suất bề mặt th ờng l thấp
hơn trong hai ¸p suÊt. VÝ dô, h·y so s¸nh c¸c ¸p suÊt bề mặt tại đỉnh núi cao v
thung lũng ngay bên cạnh trên hình 4.2. Mặc dù khí quyển phân bố đồng đều trên
vùng quan sát, áp suất bề mặt tại vị trí núi nhỏ hơn một cách đáng kể so với tại
thung lũng.

Hình 4.2. Do áp suất khí quyển thích ứng với trọng l ợng của khí quyển nằm bên trên, nên nó
luôn giảm theo cao độ. áp suất ở đỉnh núi P2 nhỏ hơn áp suất ở chân núi P1 vì l ợng không khí
nằm bên trên nhiều hơn. Vì vậy phải phân biệt áp suất không khí bề mặt với áp suất mực biển

áp suất mực biển cho phép chúng ta so sánh áp suất tại những vị trí khác
áp suất ở phía d ới cánh tay bạn lớn hơn rất ít so với ở phía trên. Đó l vì áp suất luôn
giảm theo độ cao v ở phía trên của cánh tay bạn chỉ cao hơn v i cm so víi phÝa d íi. Tuy
nhiªn, sù chªnh lƯch n y l rÊt nhá v cã thĨ bá qua trong vÝ dô n y.
*

130




nhau, tính đến những khác biệt về cao độ. Đối với những vị trí không quá cao bên
trên mực n ớc biển, chúng ta có thể có đ ợc chỉ thị tốt về áp suất mực n ớc biển
bằng cách giả định sự thay đổi đều của áp suất theo cao độ. Ví dụ, tại cao độ 150 m,
ta cộng thêm 14 mb v o áp suất bề mặt để nhận đ ợc áp suất mực n ớc biển

(khoảng 1 mb tăng lên cho từng 10 m). Tuy nhiên, đối với những nơi với cao độ lớn,
ph ơng pháp n y không tin cậy, vì chúng ta phải tính đến sù nÐn cđa khÝ qun.

H×nh 4.3. Víi tõng 5,5 km độ cao áp suất giảm khoảng một nửa

Nh đà thấy ở hình 4.3, áp suất không giảm theo độ cao với một tốc độ đều.
Ng ợc lại, nó giảm nhanh nhất tại những nơi cao độ thấp v từ từ triệt tiêu tại các
độ cao lớn. Ví dụ, từ mực biển đến cao độ 1 km áp suất trung bình giảm khoảng 100
mb, nh ng giữa 9 v 10 km áp suất giảm chỉ với tốc độ bằng một nửa. Sự phi tuyến
tồn tại l do, nh ta đà biết, không khí bị nén. Do khối l ợng khí quyển đ ợc nén
đậm đặc hơn tại các mực thấp, nên một thay đổi cao độ không lớn tại các mực thấp
l m cho bạn phải qua một l ợng khí quyển lớn, dẫn tới một mức giảm áp suất lớn.
Mặc dù những chênh lệch áp suất theo ph ơng ngang có thể l đủ để tạo ra gió
mạnh, nh ng nh ng chênh lệch đó rất nhỏ so với những chênh lệch theo ph ơng
thẳng đứng. Ví dụ, áp suất mực biển l 1050 mb đ ợc xem l rất cao, song nó chỉ
lớn hơn trung bình to n cầu 4 mb. Hơn nữa, chênh lệch giữa áp suất mực biĨn cao
nhÊt v thÊp nhÊt ë B¾c Mü trong mét ng y n o đó có thể chỉ đạt tới khoảng 25 mb.
V thậm chí chênh lệch áp suất phần trăm nhỏ bé n y th ờng có thể đ îc ghi nhËn


131


trên một khoảng cách nhiều trăm km. Ng ợc lại, ta chỉ cần chèo lên đỉnh của một
ngọn đồi khiêm tốn hoặc tòa nh cao cũng thấy đ ợc một sự thay đổi áp suất t ơng
đ ơng nh vậy.

4-1: Những nguyên lý vật lý:
Vận tốc, gia tốc, lực v ¸p st

Trong héi tho¹i th êng ng y chóng
ta hay nghe những chuyên từ lực v áp
suất đ ợc sử dơng thay thÕ cho nhau,
cịng gièng nh vËn tèc v tốc độ th ờng
đ ợc xem nh đồng nghĩa. Tuy nhiên,
trong ngôn ngữ khoa học, việc lẫn lộn giữa
những thuật ngữ n y có thể dẫn tới nhầm
lẫn lớn. Chúng ta sÏ xem chóng kh¸c
nhau nh thÕ n o.

VËn tèc v

gia tốc

Mỗi vật n o đó chuyển động có tốc
độ cụ thể, đ ợc định nghĩa l khoảng cách
đi đ ợc trong một đơn vị thời gian. Tốc độ
liên quan ®Õn vËn tèc, nh ng kh«ng l
mét nh vËn tèc. Vận tốc gắn liền với
h ớng chuyển động cũng nh tốc độ. Ví
dụ, hÃy xét hai xe ô tô chạy víi 20 m mét
gi©y, nh ng di chun theo hai h ớng
ng ợc nhau. Mặc dù chúng có cùng tốc độ,
nh ng các vận tốc của chúng không bằng
nhau do các h ớng chuyển động khác
nhau. Sự phân biệt n y rất quan trọng để
hiểu đ ợc một đại l ỵng tiÕp theo cđa
chóng ta - gia tèc, sù thay đổi về vận tốc
(không phải tốc độ) theo thời gian.
Do vận tốc gồm cả tốc độ v h ớng,

sự thay ®ỉi hc h íng hc tèc ®é l gia
tèc. VÝ dụ, xét một xe ô tô tại một thời
điểm chạy với tốc độ 20 m/s, một giây sau
chính ô tô đó có tốc độ 19 m/s; sau một
giây nữa tốc độ l 18 m/s v tiếp tục nh
thế. Khi mỗi giây qua đi, tốc độ của xe
giảm 1 m/s (l u ý rằng gia tốc có thể có giá
trị d ơng hoặc âm nh trong thí dụ n y).
Gia tốc cũng có thể xảy ra nh khi có

132

thay đổi h ớng theo thời gian, ngay cả
đối với một vật có tốc độ không thay đổi.
Một xe ô tô chạy với tốc độ không đổi
nh ng từ từ quay h ớng l ®ang cã mét
gia tèc, cịng gièng nh mét xe ô tô với
tốc độ thay đổi.
Trong khí t ợng học có một gia tốc
đặc biệt rất quan trọng - gia tèc träng
tr êng ( g ). Gia tèc n y bằng 9,8 m/s/s,
nó gần nh không đổi trên to n Trái
Đất. g chỉ giảm chút ít từ xích đạo đến
cực v g cũng chỉ khác biệt rất ít từ bề
mặt ®Õn líp trªn cđa khÝ qun. Tuy
nhiªn, trong ®a sè các ứng dụng, những
biến thiên đó của g nhỏ, cho nên có thể
bỏ qua.
Lực v áp suất

Một trong những nguyên lý quan
trọng nhất của khoa học vật lý l định
luật thứ hai của Newton, nó liên hệ khái
niệm lực (ký hiƯu l F ) víi khèi l ỵng
( m ) v gia tốc ( a ). Cụ thể, định luật thø
hai cđa Newton nãi r»ng gia tèc cđa mét
vËt thĨ tỷ lệ thuận với lực tác động lên
nó v tỷ lệ nghịch với khối l ợng của nó.
Bằng ký hiệu, điều n y đ ợc biểu diễn
nh sau
a=

F
m

hoặc

F = ma .

HÃy hình dung một xe tải 18 bánh
xe chất h ng nặng dừng lại theo đèn
hiệu đỏ ngay sau một xe đạp. Khi đèn
hiệu chuyển sang m u xanh, cả hai bắt
đầu tăng tốc với cùng c ờng suất. Dễ
thấy rằng, nếu nh cả hai duy trì vị trí
liền nhau, thì xe tải nặng nề hơn nhiều
sẽ đòi hỏi một lực lớn hơn (v động cơ
mạnh hơn). T ơng tự nh vËy, nÕu hai
vËt thĨ víi cïng khèi l ỵng chịu các lực
khác nhau, vật n o chịu lực lớn h¬n sÏ cã

mét gia tèc lín h¬n.




H×nh 1. Lùc h íng xng phÝa d íi cđa khÝ qun b»ng khèi l ỵng to n bé khÝ quyển
nhân với gia tốc trọng tr ờng. Vì khối l ợng v gia tốc trọng tr ờng không đổi theo thời
gian, nên lực n y của khí quyển không đổi. áp suất đ ợc xác định bằng lực tác động lên
đơn vị diện tích. Do đó, diện tích đ ợc đánh dấu trên hình chịu một áp suất nhất định.
áp suất biến đổi do khối l ợng không khí ở bên trên biến đổi theo vị trí v theo thời gian

L u ý rằng lực F trong ph ơng trình
trên l lực thuần tác động lên vật. Nếu các
lực khác nhau tác động đồng thời, tất cả
các lực đ ợc xem nh cùng quyết định gia
tốc; ta phải đánh giá cả độ lớn v h ớng
của mỗi lực. Nh sẽ thấy với tr ờng hợp
những giọt n ớc m a rơi (ch ơng 7), các
lực tác động theo những h ớng ng ợc
nhau l m giảm lực thuần v gia tốc kết
quả, đôi khi dẫn tới giá trị không.

t ởng t ợng một triệu thùng xe tải v
mỗi thùng chứa một tỷ con voi). Nếu
nhân khối l ợng khí quyển với gia tốc
trọng tr ờng, ta xác định đ ợc lực tác
động lên khí quyển bằng khoảng

Chúng ta áp dụng ®Þnh lt thø hai
cđa Newton cho khÝ qun. KhÝ qun

chia lùc 5,0 × 10 19 N cho diƯn tÝch bỊ mặt
Trái Đất, sẽ cho ta lực trung bình trên
diện tích đơn vị, hay áp suất bề mặt
trung bình bằng khoảng 10,132 N/cm2.

chứa 5,14 ì 10 18 kg khối l ợng. (Để hình
dung 5,14 ì 10 18 kg nặng nh thế n o, ta sÏ

5,0 × 10

19

N (1 newton (N) l đơn vị đo lực
cần để tăng tốc cho 1 kg vật 1 m/s trong
mỗi 1 giây).
Lực đem chia cho diện tích m nó
tác động lên sẽ bằng áp suất. Vậy nÕu



133


Giá trị n y t ơng đ ơng 1013,2 mb,
hay gần 14,7 pao/ inch2.
Khi đà phân biệt giữa lực v áp suất,
bây giờ ta đặt câu hỏi sự khác biệt đó thể
hiện trong khí quyển nh thế n o. Đáp án
l : mặc dù tổng lực của khí quyển gần nh

không đổi, các chất khí không phân bố
đồng đều trên h nh tinh. áp suất cao hơn

tồn tại ở nơi cột khí quyển chứa nhiều
phân tử hơn, còn áp suất thấp hơn đ ợc
thấy ở nơi chứa ít hơn. Còn vấn đề
những chênh lệch áp suất đó diễn ra nh
thế n o sẽ đ ợc xét sau ở ch ơng n y;
lúc n y, điểm quan trọng l áp suất bề
mặt phản ánh khối l ợng của khí quyển
ở bên trong cột khí quyển nh trên hình
1 đà cho thấy.

Ph ơng trình trạng thái

Kinh nghiệm h ng ng y cho biÕt r»ng c¸c chÊt khÝ cã xu thÕ në ra khi bị l m
nóng v trở nên đậm đặc hơn khi bị l m lạnh. Điều n y mách bảo rằng nhiệt độ,
mật độ v áp suất liên hệ với nhau. Thực tế thì mối quan hệ giữa chúng rất đơn
giản. Nó đ ợc mô tả bằng ph ơng trình trạng thái (còn gọi l định luật chất khí lý
t ởng)
p = RT ,
trong đó p l áp suất biĨu diƠn 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 độ (K). Ph ơng trình n y đ ợc diễn đạt nh sau:
nếu mật độ không khí tăng trong khi nhiệt độ không đổi, thì áp suất sẽ tăng. T ơng
tự, khi mật độ không đổi, tăng nhiệt độ dẫn đến tăng áp suất.
Vấn đề n y dẫn đến một sự nhầm lẫn phổ biến. Trong công chúng (v một số
sinh viên) th ờng có thói quen tìm kiếm một mối liên hệ giản đơn giữa nhiệt độ v
áp suất. Chúng ta có thể nghe nói áp suất đang giảm, trời sẽ trở rét, hoặc l trời
nóng chắc chắn áp suất sẽ cao. Nh ng ph ơng trình trạng thái nói rằng những
phát biểu mơ hồ nh thế không ®óng. Mét biÕn thø ba, mËt ®é, cã thĨ ®¶o lộn

những thay đổi của hai biến kia. Ví dụ, trên các đồng bằng của Bắc Mỹ, áp suất cao
tiếp sau một trận bÃo mùa đông th ờng mang theo nhiệt độ lạnh cóng, chứ không
phải cái ấm áp dễ chịu. Mặc dù l trái ng ợc đối với linh nghiệm cđa mét sè ng êi,
song hiƯn t ỵng nh vËy l ho n to n phù hợp ph ơng trình trạng thái.
Đo áp suất

Dụng cụ đo áp suất đ ợc gọi l áp kế. Hai loại áp kế đ ợc sử dụng phổ biến
nhất trong quan trắc thông th ờng: mét lo¹i cÊu t¹o tõ mét èng tuýp cã chøa một
phần thủy ngân v loại thứ hai sử dụng các hộp khoang xếp.
áp kế thủy ngân

Dụng cụ tiêu chuẩn để đo áp suất l áp kế thủy ngân (hình 4.4), sáng chế của
Evangelista Torricelli năm 1643. Đó l một dụng cụ đơn giản chế tạo bằng cách cho
thủy ngân v o trong mét èng tuýp d i v sau ®ã đảo ng ợc đầu tuýp để thủy ngân
chảy v o một bầu chứa. Mặc dù ống tuýp đ ợc đảo đầu, nó vẫn không rỗng. Ng ợc
lại, không khí tuồn xuống phía d ới đến bầu chứa thủy ngân v l m cho một phần
thủy ngân nổi lên phía trên v o trong ống tuýp. áp suất không khí c ng lín, th× cét
134




thủy ngân c ng cao.
áp suất của áp kế th ờng đ ợc biểu diễn bằng độ
cao của cột thủy ngân trong một áp kế, tại mực biển
độ cao đó về trung bình l 76 cm (29,92 inch). Tuy
nhiên, phép đo n y không phù hợp với khái niệm về
áp suất, bởi vì áp suất không có đơn vị của ®é d i. Nãi
c¸ch kh¸c, biĨu diƠn ¸p st cđa ¸p kÕ b»ng cm hc
inch cịng ngí ngÈn nh nãi tuổi của ai đó bằng 30

dặm/giờ hay cân nặng l 1,99 đô la!. Các số đo độ
d i từ một áp kế chỉ l phản ứng của áp kế đó đối với
áp suất khí quyển, chứ không phải giá trị quan trắc
áp suất trực tiếp. Các nh khí t ợng học a dùng một
đơn vị sao cho đo đ ợc lực tác động trên diện tích đơn
vị, nh pao/inch2 hoặc milliba. Các công thức đơn
giản để chuyển đổi độ cao ¸p kÕ sang milliba l :

1 cm = 13,32 mb
v

1 inch = 33,865 mb.

Hình 4.4. áp kế thủy ngân

Thủy ngân l chất lỏng rất chuẩn để dùng trong áp kế vì nó rất nặng, với mật
độ 13,6 lần lớn hơn mật độ n ớc. Đặc điểm n y cho phép ®iỊu chØnh ® ỵc kÝch th íc
cđa dơng cơ. NÕu sử dụng n ớc thay vì thủy ngân, thì cột n ớc phải cao chừng 10 m
để có thể cân bằng với trọng l ợng của khí quyển. Mặt khác, mặc dù một áp kế
chứa n ớc cao bằng tòa nh 3 tầng có thể l không gọn nhẹ, song nó có khả năng đo
rất chính xác, bởi vì những biến đổi nhỏ của áp suất sẽ đ ợc chuyển ®ỉi th nh
nh÷ng biÕn ®ỉi lín vỊ ®é cao.
HiƯu chØnh các số đo của áp kế thủy ngân

Một trong các công cụ quan trọng của nh khí t ợng học l bản đồ thời tiết,
ngo i một số thứ khác, trong bản đồ n y biểu diễn phân bố áp suất trên bề mặt.
Tuy nhiên, tr ớc khi số liệu áp kế đ ợc dùng trên bản đồ, phải thực hiện ba hiệu
chỉnh để loại trừ những nhân tố địa ph ơng ảnh h ởng tới các số đo.
Hiệu chỉnh thứ nhất loại trừ ảnh h ởng của cao độ chúng ta mô tả tr ớc đây
trong ch ơng n y. Nếu nh các giá trị áp suất bề mặt đ ợc vẽ trên các bản đồ thời

tiết, chúng sẽ cho mét biĨu diƠn sai vỊ ph©n bè cđa khÝ quyển. Nguyên do l các cao
độ cao thì có các áp suất bề mặt thấp hơn so với các cao độ thấp, ngay cả khi áp suất
mực biển l nh nhau. Để quy chuẩn các số liệu quan trắc, chúng ta phải chuyển
đổi số đo áp suất bề mặt về các giá trị tại mực n ớc biển. Đối với một trạm quan
trắc nằm ở độ cao 100 m trên mực biển, phải cộng thêm khoảng 1 cm, t ơng ứng với
khoảng 13 mb. Tại các cao độ lớn hơn, cần phải có hiệu chỉnh lớn hơn. Chẳng hạn,
tại Denver, Colorado (gäi l “Th nh phè cao 1 dỈm”), sè hiƯu chØnh b»ng kho¶ng 16
cm hay 213 mb.
HiƯu chØnh thø hai liên quan tới sự giống nhau giữa áp kế thủy ngân v nhiệt
kế. Vì thủy ngân trong nhiệt kế giÃn nở khi nhiệt độ tăng, thủy ngân trong áp kÕ


135


cịng nh vËy. Sù gi·n në l m gi¶m mËt độ của chất lỏng v đòi hỏi nó đạt tới một
độ cao lớn hơn để bù lại trọng l ợng khÝ qun. Nãi c¸ch kh¸c, v o ng y nãng độ cao
của cột thủy ngân cao hơn ng y lạnh, ngay cả khi áp suất khí quyển nh nhau. Vì
lý do n y, nên các áp kế thủy ngân luôn có một nhiệt kế gắn kèm theo để xác định
nhiệt độ của dụng cụ, còn bảng hiệu chỉnh cho chúng ta biết độ cao của cột thủy
ngân phải bằng bao nhiêu nếu nh nhiệt độ bằng giá trị chuẩn 0 oC (32 oF). Tại
nhiệt độ chuẩn trong phòng, hiệu chỉnh n y nhỏ, chỉ cần trừ bớt khoảng 2,5 mm.
Hiệu chØnh thø ba tÝnh ®Õn gia tèc träng tr êng biến thiên nhẹ theo vĩ độ. Để
chuẩn hóa các số đo từ tất cả các vĩ độ, chúng ta quy đổi chúng về giá trị m chúng
phải có nếu nh trọng lực địa ph ơng bằng trọng lực tại 45o vĩ nam hoặc bắc, hay
bằng trung bình giữa xích đạo v các cực. Tuy nhiên, những biến thiên trọng lực
theo vĩ độ l nhỏ v các hiệu chỉnh th ờng có cỡ 0,25 mm.

4-2: Những nguyên lý vật lý:
Các biến thiên của mật độ

Có lẽ bạn từng phân vân không khí
nặng bao nhiêu. Không khí xung quanh
bạn có mật độ riêng v mỗi thể tích không
khí bất kỳ chứa một khối l ợng nhất định.
Những biến thiên về mật độ không khí
gây nên nhiều hiện t ợng h ng ng y. Ví
dụ, mật độ của khí quyển ảnh h ởng tới
một máy bay phải chạy lấy đ bao xa khi
nó tăng tốc trên đ ờng băng để chuẩn bị
cất cánh. T ơng tự, các máy phun nhiên
liệu ô tô phải tính đến biến thiên mật độ
để cung cấp hỗn hợp xăng v không khí
phù hợp v o động cơ xe. Mật độ không khí
thậm chí có thể ảnh h ởng tới l ợng cản
của không khí lên một trái bóng ch y, do
đó, tới khoảng cách bay của trái bóng.
Nh ng biến thiên mật độ có thực sự
đáng kể hay không? Chúng ta có thể dùng
ph ơng trình trạng thái để thấy một cách
chính xác những biến thiên nhiệt độ ảnh
h ởng tới mật độ không khí nh thế n o.
Muốn vậy, tr ớc hết ta sắp xếp lại ph ơng
trình đó nh sau:
= p / RT .
Bây giờ so sánh mật độ không khí trong
hai tr ờng hợp: mét ng y Êm víi nhiƯt ®é
308 K (35 oC hay 95 oF) v một ng y lạnh
với nhiệt độ 278 K (5 oC hay 41 oF). Để cho

136

nhất quán, ta sẽ giả định rằng áp suất l
100 000 Pa (1000 mb; 100 kPa) trong cả
hai tình huống.
áp dụng ph ơng trình trạng thái
cho ng y ấm, ta tìm đ ợc mật độ không
khí bằng
=

100000 Pa
1

287 J kg K

1

ì 308 K

3

= 1,13 kg/m *.

Khi ta hạ nhiệt độ không khÝ xuèng
®Õn 278 K (5 oC hay 41 oF), ph ơng trình
cho mật độ không khí bằng
=

100000 Pa
1

287 J kg K

1

ì 278 K

3

= 1,25 kg/m .

Mật độ n y gần 11% lớn hơn mật độ
không khí ở ng y ấm hơn một l ợng
đáng kể.
Ngo i nhiệt độ v áp suất, độ ẩm
của không khí cũng có ảnh h ëng (dï rÊt
nhá) tíi mËt ®é. Ta sÏ xem nh thế n o.
Phân tử ôxy (O2) v Nitơ (N2) l m th nh
phần lớn khối l ợng của khí quyển v
tồn tại ở một tỷ phần không đổi. Các hợp
phần khác, ít hơn của khí quyển có mặt
với những l ợng khác nhau tại các vị trí
v thời gian khác nhau, v do mỗi hợp
phần có phân tử l ợng riêng của mình
(thể hiện của khối l ợng t ơng đối của
các phân tử), h m l ợng t ơng đối của
chúng có thể ảnh h ởng nhẹ tới mật độ
của khí quyển. Trong số các chất khí đó,
hơi n íc th êng chiÕm kho¶ng 1 % khèi

l ợng không khí. Theo linh tính, chúng ta
có thể cho rằng độ ẩm lớn hơn sẽ l m cho
khí quyển đậm đặc hơn. Sự thật thì điều
ng ợc lại mới đúng.
HÃy so sánh khối l ợng chứa trong
các phân tử riêng rẽ của hơi n ớc v của
các chất khí khí quyển phong phú nhất.
Trọng l ợng phân tử nitơ v ôxy lần l ợt
l 28,01 v 32,00 v trọng l ợng trung
bình của khí quyển khô l 28,5. Mặt khác,
hơi n ớc có trọng l ợng phân tử chỉ l
18,01. Do đó, nếu tỷ phần không khí chứa
hơi n ớc tăng, thì phải kéo theo sự suy
giảm về trọng l ợng trung bình của khí
quyển. Nói cách khác, nếu mọi thứ khác l
nh nhau, thì không khí ẩm sẽ ít đậm đặc
hơn, nhẹ hơn không khí khô.

Những biến thiên độ ẩm quan trọng
nh thế n o đối với mật độ khí quyển?
Bạn có thể kỳ vọng rằng vì l ợng hơi
n ớc trong khí quyển nhỏ, nên những
biến thiên l không đáng kể, v có thể l
bạn nghĩ đúng. Việc sát nhập hệ quả của
h m l ợng ẩm biến thiên sẽ đòi hỏi phải
thay đổi chút ít đối với ph ơng trình
trạng thái. Các tính toán sử dụng công
thức đà điều chỉnh cho thấy rằng ở nhiệt

độ 15 oC (59 oF), mật độ không khí chỉ
chênh lệch 0,6 % khi tăng 1 % hơi n ớc
(từ không khí khô đến 1% hơi n ớc).
_________________
*

Để cân bằng các đơn vị đo, phải chuyển các
đơn vị pascal (Pa) v jun (J) về thứ nguyên cơ
1 2

bản: Pa = kg m s

v

2 −2

J = kgm s

.

¸p kÕ hép

C¸c ¸p kÕ thủy ngân l những dụng cụ có độ chính xác cao, nh ng cũng đắt
tiền v không thuận tiện khi di chuyển. Một dụng cụ thay thế khác để quan trắc áp
suất l áp kế hộp (aneroid barometer - có nghĩa l không dùng chất lỏng) (hình
4.5a). áp kế hộp t ơng đối rẻ tiền v có thể cũng chính x¸c. Nã bao gåm mét hép cã
thĨ co gi·n, tõ đó một phần không khí bị loại bỏ (b). Trọng l ợng của khí quyển tác
động lên hộp v nén chúng với một l ợng tỷ lệ thuận với áp suất không khí. Một
thiết bị con trỏ kết nối một cơ cấu đòn bẩy v chỉ thị áp suất không khí.

Hình 4.5. áp kế hộp (a) v cơ chế vận h nh (b), ¸p ký (c)

¸p kÕ hép, th êng đ ợc đặt trong nh , phải đ ợc hiệu chuẩn ở lần lắp đặt đầu
tiên. Ng ời dùng chỉ cần biết áp suất mực biển hiện tại v c i đặt thiết bị bằng cách
vặn nút chỉnh ở mặt sau của vỏ máy. Do không có chất lỏng giÃn nở trong áp kế
hộp, nên dụng cụ n y không đòi hỏi hiệu chỉnh nhiệt độ. Ngo i ra, các hiệu ứng của
cao độ v vĩ độ đà đ ợc tính đến khi thiết bị n y đ ợc hiệu chuẩn lần đầu. Do đó,



137


một khi đà hiệu chuẩn, áp kế hộp cho ta áp suất mực biển không cần những hiệu
chỉnh v quy đổi.
Đôi khi ta cần ghi áp suất liên tục trong thời gian. Những cơ cấu áp kế biểu
diễn các giá trị liên tục của áp suất đ ợc gọi l các áp ký (hình 4.5c). Một trống
xoay (th ờng đặt chế độ xoay một vòng mỗi tuần) l m xoay băng giấy để ngòi bút vẽ
nên đồ thị của áp suất biến đổi.
Sự phân bố áp suất

Phân bố áp suất mực biển trên Trái Đất l đặc tr ng cực kỳ quan trọng v biến
thiên mạnh của khí quyển. Để hiển thị trực quan sự phân bố áp suất, các nh khí
t ợng học vẽ những đ ờng gọi l các đ ờng đẳng áp trên các bản đồ thời tiết.

Hình 4-6. Một bản đồ thời tiết biểu diễn phân bè ¸p st mùc biĨn ng y 4-3-1994. L u ý áp
suất t ơng đối thấp ở vùng đông bắc n ớc Mỹ v phía đông Canađa, vùng áp suất cao nhất
v vùng áp suất thấp nhất trên bản đồ chỉ chênh lệch với nhau trong phạm vi khoảng 4 %

Mỗi đ ờng đẳng áp đ ợc vẽ sao cho nó nối các điểm có cùng áp suất mực biển

nh nhau v những vị trí nằm giữa hai đ ờng đẳng áp có áp suất nằm giữa các giá
trị ghi trên hai đ ờng đẳng áp. Các đ ờng đẳng áp đ ợc vẽ với khoảng cách 4 mb
trên bản đồ thời tiết bề mặt của Mỹ, nên chênh lệch áp suất giữa hai đ ờng đẳng
áp liền nhau sẽ nh nhau ở khắp nơi trên bản đồ. Ưu điểm của việc n y l ở chỗ
khoảng cách giữa các đ ờng đẳng áp kế cận cung cấp thông tin về áp suất thay đổi
nhanh nh thế n o từ nơi n y đến nơi khác. Nói khác đi, khoảng cách giữa các
đ ờng đẳng áp chỉ ra độ lớn của građien áp suất, hay tốc độ biến đổi áp suất,
giống nh khoảng cách giữa các đ ờng đẳng nhiệt thể hiện các gradien nhiệt độ. Sự

138




tập trung d y xít các đ ờng đẳng áp cho thấy một građien áp suất đột biến (áp suất
biến đổi nhanh theo khoảng cách), còn các đ ờng đẳng áp th a thớt cho thấy một
građien nhỏ.
Hình 4.6 biểu diễn phân bố áp suất mực biển diễn ra trong ng y 4-3-1994. áp
suất trên vùng New England v phần đông nam của Canađa thấp hơn phần phía
tây v građien áp suất lớn đ ợc thấy ở phần phía đông của Bắc Mỹ.
Građien áp suất

Građien áp suất tạo ra lực ®Èy cho chun ®éng cđa kh«ng khÝ m chóng ta gäi
l giã. H·y t ëng t ỵng hai ng êi đang đẩy nhau. Ng ời tác động lực lớn hơn sẽ
đẩy ng ời kia lùi lại v chênh lệch các lực tác động c ng lớn thì ng ời bị ®Èy sÏ di
chun c ng nhanh. Quan niƯm n y cũng áp dụng đối với không khí. Nếu không
khí trên một khu vực tạo ra một áp suất lớn hơn so với không khí trên một vùng lân
cận, thì không khÝ víi ¸p st cao sÏ lan táa ra xung quanh h ớng tới vùng áp suất
thấp hơn v tạo th nh gió. Građien áp suất tạo ra một lực, gọi l lực građien áp
suất, nó l m cho không khí chuyển động. Với các građien áp suất đ ợc đo tại độ cao

không đổi, chúng ta dùng thuật ngữ lực građien áp suất ph ơng ngang v gọi
chuyển động kết quả l gió. Nếu mọi thứ khác đều nh nhau, thì lực građien áp
suất c ng lớn, tốc độ gió c ng mạnh.
Građien áp suất ph ơng ngang. Bản đồ áp suất mực biển trên hình 4.6 rất
điển hình, nó có những khu vực áp suất thấp v áp suất cao với c ờng độ trung
bình. L u ý rằng những biến thiên áp suất trên bản đồ n y l nhỏ. áp suất nhỏ
nhất quan trắc đ ợc l 977 mb, còn áp suất lớn nhất khoảng 1021 mb. Chênh lệch
44 mb ở đây thể hiện khoảng 4 % của áp suất trung bình. Cũng nên l u ý rằng
khoảng cách vật lý phân chia các khu vực ¸p suÊt cao v ¸p suÊt thÊp b»ng kho¶ng
3000 km. Do đó, về trung bình các građien áp suất trên bản đồ n y có cỡ 40 mb trên
3000 km hay 1 mb trªn 75 km. Râ r ng, Ýt ra l ở quy mô lục địa các građien áp
suất th ờng nhỏ.
ở một quy mô nhỏ hơn, các građien áp suất ngang có thể lớn hơn. Ví dụ, những
trận bÃo có građien lớn, sinh gió mạnh v hủy diệt. Nh ng thậm chí một cơn bÃo có
thể có áp suất ở phần bên trong nó chỉ khoảng 50 mb nhỏ hơn so với vùng bên ngo i
bÃo cách xa khoảng 300 km. Một cơn bÃo nh thế có thể có biến thiên áp suất 1 mb
trên khoảng cách 6 km, tạo ra một độ chênh lệch chỉ khoảng 5% về áp suất trên
một khoảng cách đáng kể. Vấn đề l thậm chí với những građien áp suất ngang lớn
nhất, thì các građien đó vẫn l rất nhỏ so với áp suất trung bình. Đó l điều t ơng
phản đáng chú ý so với các građien áp suất thẳng đứng, ở tr ờng hợp n y, trong
phạm vi một khoảng cách thẳng đứng chỉ bằng nửa km áp suất có thể giảm 50 mb.
Građien áp suất thẳng đứng. Chúng ta đà thấy rằng áp suất khí quyển luôn
luôn giảm theo độ cao. Ví dụ, trên hình 4.3, hÃy l u ý rằng áp suất mực biển trung
bình bằng 1013,2 mb giảm xuống tới 500 mb ở độ cao 5640 m. Do đó, građien áp
suất thẳng đứng trung bình trong nửa bên d ới của khí quyển bằng khoảng 500 mb
trên 5640 m, hay nhỏ hơn 1 mb trên từng 10 m. HÃy so sánh con số n y với građien



139

áp suất ngang của một cơn bÃo trung bình m ta đà thấy bằng khoảng 1 mb trên
6000 m. Građien áp suất thẳng đứng trung bình trong ví dụ n y 600 lần lớn hơn so
với građien ngang cực trị liên quan đến một cơn bÃo! Tóm lại, građien áp suất
thẳng đứng lớn hơn rất nhiều lần so với biến thiên ph ơng ngang của áp suất.
Cân bằng thủy tĩnh

Bạn đà biết rằng lực građien áp suất gây ra gió thổi từ nơi áp suất cao đến nơi
áp suất thấp v rằng áp suất giảm dần theo độ cao. Nhận thức đ ợc hai điều n y,
bạn có thể suy ra kết luận rằng gió phải luôn luôn thổi từ d íi lªn trªn. NÕu nh
vËy, sÏ cã thĨ cã một số hậu quả phiền phức cho những ai sống trên bề mặt Trái
Đất, họ sẽ ngạt thở bởi vì to n bộ không khí quanh chúng ta chắc chắn sẽ vung ra
thoát v o vũ trụ do lực građien áp suất thẳng đứng.
Tuy nhiên, tr ớc khi bạn hoảng hèt, h·y xem xÐt tíi mét u tè liªn quan thứ
hai: Trọng lực hút tất cả khối l ợng, kể cả khí quyển xuống phía d ới. Vậy tại sao
khí quyển lại không đổ sụp xuống d ới, đến cái n¬i m chóng ta cã thĨ chØ viƯc
giang tay ra m đón lấy v hít thở không khí giáng xuống bề mặt? Bởi vì, lực
građien áp suất thẳng đứng v trọng lực th ờng bằng nhau về giá trị v tác động
trên các h ớng ng ợc chiều nhau, hiện trạng n y đ ợc gọi l cân bằng thủy tĩnh.
Khi trọng lực đúng bằng lực građien áp suất thẳng đứng về độ lớn, thì không
xuất hiện gia tốc thẳng đứng. Khi trọng lực hơi v ợt trội lực građien áp suất thẳng
đứng, sẽ xảy ra các chuyển động h ớng xuống phía d ới. Những chuyển động giáng
nh thế luôn luôn rất chậm. Mặt khác, lực građien áp suất h ớng lên trên đôi khi
v ợt trội trọng lực rất nhiều v có thể sinh ra những dòng thăng với tốc độ đến 160
km/giờ. Đó l thứ m bạn nhìn thấy khi những đám mây d y đặc lớn lên trong
những cơn dông bÃo.
Vai trò của mật độ trong sự cân bằng thủy tĩnh. Mặc dù các lực trọng
tr ờng v građien áp suất thẳng đứng th ờng gần cân bằng nhau, song giá trị
chính xác của mỗi lực biến đổi theo vị trí v theo thời gian. Trọng lực h ớng xuống

d ới trên một thể tích không khÝ tû lƯ thn víi khèi l ỵng cđa nã (nhớ rằng lực =
khối l ợng ì gia tốc), nên khí quyển đậm đặc chịu một trọng lực lớn hơn so víi khÝ
qun lo·ng. Do ®ã, nÕu khÝ qun ®Ëm đặc muốn duy trì trong cân bằng thủy tĩnh,
thì nó phải có một lực građien áp suất thẳng đứng lớn hơn để bù trừ trọng lực.

Ta xét hai cột không khí nh nhau trên hình 4.7a. Nếu cột ở bên phải đ ợc l m
nóng, nh trên hình 4.7b, không khÝ gi·n në lªn phÝa trªn l m cho mËt độ của nó
giảm đi. Không có sự thay đổi về khối l ợng, nên áp suất vẫn l 1000 mb tại bề
mặt. Tuy nhiên, áp suất mực 500 mb cao hơn tr ớc v građien áp suất thẳng đứng
nhỏ hơn. Nói khác đi, cột đ ợc l m nóng có mật độ bé hơn so với cột không đ ợc l m
nóng, dẫn đến một građien áp suất thẳng đứng nhỏ hơn. Nhận xét đơn giản n y có
một số hệ quả rất quan trọng đối với các chuyển động ph ơng ngang v phải đ ợc
hiểu cặn kẽ tr ớc khi tiếp tục. (Để biết những chi tiết toán học về quan hệ giữa mật
độ v građien áp suất thẳng đứng, xem chuyên mục 4-3: Những nguyên lý vật lý:
Ph ơng trình thủy tĩnh).
140




Hình 4.7. Hai cột không khí với các nhiệt độ, ¸p suÊt v mËt ®é b»ng nhau (a).
L m nãng cột bên phải (b) l m cho nó giÃn nở lên phía trên. Nó vẫn giữ nguyên
khối l ợng, nh ng có mật độ bé hơn để bù lại cho độ cao lớn hơn. Vì chênh lệch
áp suất giữa đáy v đỉnh vẫn l 500 mb, nên građien áp suất thẳng đứng bé hơn

Građien áp suất ngang trong lớp khí quyển trên cao

Nh chúng ta đà thấy, áp suất khí quyển giảm nhanh hơn theo độ cao ở trong
cột không khí lạnh v đậm đặc. Xem hình 4.7b, bạn có thể thấy rằng tại độ cao của
đỉnh của cột lạnh, nơi áp suất bằng 500 mb, áp suất lớn hơn so víi 500 mb ë trong

cét Êm. Nãi c¸ch kh¸c, có một građien áp suất ngang ở lớp khí quyển trung bình, áp
suất thấp hơn ở trong cột lạnh. Một cách t ơng đ ơng, độ cao của mực 500 mb thấp
hơn ở trong cột lạnh. Nơi n o građien áp suất ngang tồn tại, ở đó phải có độ xiên
của các đ ờng đẳng áp sao cho các độ cao giảm về phía không khí lạnh hơn. Đ ợc
biết rằng lực građien áp suất ngang tỷ lệ thuận với độ xiên của các đ ờng đẳng áp.
Nếu biết độ xiên, ta biết lực građien áp suất.
Hình 4.8 biểu diễn sù ph©n bè cđa mùc 500 mb trong khÝ qun lý t ởng, với
nhiệt độ giảm dần đều về phía cực Bắc (để đơn giản, chúng ta giả thiết áp suất mực
biển đồng nhất). Chú ý sự giảm của nhiệt độ phía cực gây nên sự giảm độ về cao
của mực 500 mb, bề mặt nghiêng xuống d ới về phía không khí lạnh hơn. ở d ới
đáy của biểu ®å l nh÷ng ® êng ®ång møc biĨu diƠn ®é cao cđa mỈt 500 mb. Nh·n


141


hiệu của các đ ờng đồng mức cho biết bạn phải lên cao bao nhiêu để thấy đ ợc áp
suất 500 mb. Ví dụ, nếu bạn đứng trên một đ ờng có nhÃn 5500 m, thì mặt 500 mb
sẽ ở cao 5,5 km bên trên bạn. Các độ cao n y giảm về phía bắc; do đó, các giá trị của
đ ờng đồng mức cũng giảm về phía bắc.

Hình 4.8. Nhiệt độ trung bình giảm dần về phía cực l m cho không khí nặng hơn ở
các vĩ độ cao. Theo ph ơng trình thủy tĩnh, áp suất giảm nhanh hơn theo độ cao tại
các vĩ độ cao v l m giảm độ cao của mực 500 mb. Các đ ờng gạch nối chỉ độ cao
của mực 500 mb giống nh nếu chúng đ ợc vẽ trên bản đồ thời tiết mực 500 mb

Để hai vế cân bằng, vế phải cũng
phải âm.

4-3: Những nguyên lý vật lý:

Ph ơng trình thủy tĩnh
Khái niệm về sự cân bằng thủy tĩnh
(trong đó lực građien áp suất thẳng đứng
bằng v ng ợc h ớng víi träng lùc) cã thĨ
tãm t¾t ng¾n gän b»ng ph ¬ng tr×nh
thđy tÜnh:
Δp
Δz

= −ρ g .

Theo quy íc, ký hiƯu delta ( Δ ) cã
nghÜa l “biÕn thiªn”. Trong tr ờng hợp
n y, p l biến thiên của áp suất, còn z
l biến thiên của độ cao. Vậy, p / z ở vế
trái ph ơng trình l biến thiên của áp
suất trên một đơn vị tăng độ cao.
Chúng ta đà gặp ký hiệu v g
tr ớc đây cho mật ®é v gia tèc träng lùc.
DÊu trõ ë vÕ ph¶i l để tính đến áp suất
giảm theo độ cao; tức l vế trái luôn âm.

142

Nh vậy, ph ơng trình thủy tĩnh
nói rằng tốc độ suy giảm của áp suất với
độ cao bằng tích của mật độ không khí
v gia tốc trong lực. Nh ng vì gia tốc
trọng lực đ ợc coi thực tế l hằng số, nên
tốc độ giảm áp suất theo độ cao đ ợc

quyết định hầu nh ho n to n bëi mËt
®é cđa khÝ qun. Cơ thĨ l , không khí
có mật độ cao hơn thì có građien áp suất
thẳng đứng lớn hơn.
Với t cách l m ví dụ, ta so sánh
hai cột không khí ở hình 4.7b, giả sử các
nhiệt độ của chúng l 40 oC v 0 oC. Sử
dụng áp suất bề mặt l 1000 mb, ph ơng
trình trạng thái cho mật độ của không
khí nóng l 1,1 kg/m3. Tại cùng áp suất,
không khí lạnh phải có mật độ lớn hơn, ở
tr ờng hợp n y l 1,3 kg/m3. NÕu chÊp
nhËn sù c©n b»ng thđy tĩnh, các građien
áp suất thẳng đứng tại bề mặt t ¬ng
øng l :




Cét kh«ng khÝ nãng:
Δp
Δz

= −1,1 ( 9,8 ) = −10,8 Pa/m .

Cột không khí lạnh:
p
z

= 1,3 ( 9,8 ) = 12,8 Pa/m .

Điều n y khẳng định lập luận của
chúng ta tr ớc đây, rằng áp suất giảm
nhanh hơn trong một cột không khí
lạnh, nặng so với một cột không khí ấm.
Nh chúng ta đà b n luận ở phần chính
văn, hiện t ợng n y gây nên một
građien áp suất ngang ở lớp trên giữa
không khí nóng v lạnh.

Hình 4.9. Phân bố của độ cao mực 500 mb ng y 3-5-1995
(® êng ®ång møc ®é cao ghi nh·n b»ng đơn vị đềcamét)

Hình 4.9 biểu diễn một bản đồ 500 mb thực của ng y 3-5-1995. Các đ ờng
đồng mức độ cao đ ợc đánh nhÃn l đềcamét (1 Dm = 10 m). Vậy các độ cao biến
thiên từ 5880 m ở phía nam đến 5220 m ở cận tây bắc. Những đ ờng đồng mức của


143


các bản đồ 500 mb đ ợc vẽ cách nhau tõng 60 m (tøc 6 Dm). Nh×n chung, bøc tranh
n y phù hợp với sự giảm về độ cao từ phía nam lên phía bắc, tuân theo građien
nhiệt độ từ phía nam đến phía bắc.
Nơi n o các đ ờng đồng mức độ cao gần xít với nhau, thì lực građien áp suất sẽ
lớn. Vì vậy, v o ng y n y, gió ở mực trên cao mạnh nhất ở bên trên Newfoundland,
tốc độ 160 km/giờ. Bên trên Nebraska, lực građien áp suất yếu hơn rất nhiều v gió
chỉ bằng 35 km/giờ.
Chú ý rằng biên độ của các độ cao chỉ bằng khoảng 660 m từ nơi cao nhất đến
nơi thấp nhất, biến thiên bằng khoảng 10 % trên một khoảng cách lớn. Giống nh

các građien áp suất ngang tại bề mặt, các građien áp suất ở lớp khí quyển trên cao
cũng nhỏ v các mặt áp suất gần nh nằm ngang. Mặc dù vậy, những građien yếu
ớt n y có thể gây nên gia tốc đáng kể v gió mạnh, đặc biệt trong lớp khí quyển trên
cao, nơi gần nh không có ma sát v mật độ nhỏ.
Các bản đồ mực trên cao đ ợc Cơ quan Thời tiết Quốc gia Hoa Kỳ v các cơ
quan t ơng tự ở các quốc gia khác xây dựng hai lần một ng y. Những bản đồ n y
cực kỳ quan trọng trong công tác dự báo thời tiết, nh chúng ta sẽ b n đến ở
ch ơng 13. Ngo i bản đồ mực 500 mb, các bản đồ t ơng tự cũng đ ợc xây dựng cho
các mực 850, 700 v 300 mb. Những bản đồ n y ứng với các điều kiện ở khoảng
tuần tự 1500, 3000 v 13000 m trên mực n ớc biển. HÃy nhớ rằng những bản ®å ®ã
biĨu diƠn ®é cao thay ®ỉi cđa tõng mùc áp suất riêng biệt.
Những lực ảnh h ởng tới tốc độ v h ớng gió

Sự phân bố không đồng đều của không khí trên Trái Đất đà tạo ra các građien
áp suất ngang, khởi động chuyển động không khí v gây ra gió. Nếu nh không có
các lực khác tham gia, thì gió sẽ luôn thổi theo h ớng của lực građien áp suất. Tuy
nhiên, tình hình bị phức tạp hơn do tác động của hai lực khác. Lực thứ nhất sinh ra
do sự quay của Trái Đất v l m thay ®ỉi h íng giã. Lùc thø hai, ma sát, l m cản
trở gió.
Lực Coriolis

Lực građien áp suất l m cho không khí chuyển động từ nơi áp suất cao đến nơi
áp suất thấp hơn, v độ lớn của lực građien áp suất chịu trách nhiệm chính quyết
định c êng ®é cđa giã. Nh ng ®Ĩ hiĨu h íng đi của gió, bạn phải xét đến sự xoay
của Trái Đất, nó gây nên sự lệch h ớng biểu kiến (quay) cđa giã. HiƯn t ỵng n y,
gäi l lùc Coriolis * (hoặc hiệu ứng Coriolis), cũng l nguyên nhân đổi h ớng bay
của các viên đạn súng thần công, chim di c v máy bay phản lực. Thật vậy, nã ¶nh
h ëng tíi mäi thø di chun trong mét h ớng n o đó.
Để xét hiệu ứng m sự xoay của Trái đất tác động lên các vật chuyển ®éng, h·y
t ëng t ỵng mét nỊn xoay ng ỵc chiều kim đồng hồ nh trên hình 4.10. (Hình n y

đ ợc lấy trực tiếp từ phần b i H íng dÉn vỊ lùc Coriolis trong ®Üa CD kÌm theo
*

Theo tên của G. G. Coriolis (1792-1843), ng ời đ a ra giải thích toán học đầu tiên cho
hiện t ợng n y.

144




cn s¸ch n y. Ng êi h íng dÉn biĨu diễn những chuyển động thực t ơng đối so
với một nền xoay, v do đó, minh họa hiện t ợng theo một cách không thể lặp lại
bằng các hình vẽ tĩnh. Bạn rất nên tận dụng b i h ớng dẫn n y). Khi một viên đạn
chuyển động theo một h ớng thẳng, nó l ợn th nh một đ ờng cong t ơng đối so với
nền quay ở d ới nó. Điều n y cũng chính xác giống nh hiện t ợng có thể xảy ra
nếu nh hai ng ời ở trên vòng đu xoay đang quay quan sát một quả bóng đang bay
ngay ở phía tr ớc. Thậm chí nếu nh quả bóng lúc đầu chuyển động thẳng tíi mét
trong hai ng êi, th× ng êi Êy cịng không thể bắt đ ợc quả bóng, vì anh ta hoặc chị
ta đà bị di chuyển ra khỏi đ ờng ®i cđa qu¶ bãng bëi sù quay cđa chiÕc ®u. Đối với
ng ời đứng trên nền, quả bóng sẽ nh l quay ngoặt sang bên phải nó (giả sử nền
xoay theo h ớng ng ợc chiều kim đồng hồ), thậm chÝ anh ta ®· nghÜ trong thùc tÕ
nã ®ang chun động trên một đ ờng thẳng.

Hình 4.10. Khi vật di chuyển trên một bề mặt xoay, chuyển động của vật tỏ ra lệch khỏi
đích. Quả bóng ở tâm của nền xoay ng ợc chiều kim đồng hồ ở (a) chuẩn bị di chuyển về
phía đích tại đỉnh của hình vẽ. Khi quả bóng di chuyển về phía đích, sự xoay của nền l m
cho đích di dời khỏi vị trí ban đầu của nó. Điều n y tiếp diễn khi quả bóng di chuyển khỏi
tâm (b) v (c), th nh thử đến lúc nó tới gần rìa của nền thì quả bóng hình nh đà ngoặt về
bên phải của nó (d). Vì tất cả các điểm trên Trái Đất (ngoại trừ dọc theo xích đạo) đều xoay,

tất cả các vật thể đều chịu sự di dời biểu kiến n y cđa mét lùc gäi l lùc Coriolis. Lùc n y
kh«ng chỉ tác động tới những viên đạn, nó còn tác ®éng tíi chun ®éng cđa khÝ qun

Cïng hiƯn t ỵng n y cã thĨ dƠ d ng h×nh dung ë trên Bắc Cực của Trái Đất.
Do Bắc bán cầu xoay theo chiều ng ợc chiều kim đồng hồ (mặc dù chậm hơn nhiều
so sánh với đu quay), một vật chuyển ®éng qua cùc sÏ biĨu lé q ®¹o cong biĨu
kiÕn đúng nh vậy. Hiện t ợng n y cũng áp dụng đối với gió, nên không khí chuyển
động theo một đ ờng thẳng qua Bắc Cực đối với chúng ta ở trên mặt Trái Đất nh
quay sang bên phải. Sự lƯch h íng nh vËy cã x¶y ra ë xÝch đạo không? Câu trả lời


145


l không, vì sự xoay 24 giờ của h nh tinh không tạo ra chuyển động xoay tại xích
đạo. Ng ợc lại, một điểm bất kỳ trên bề mặt của xích đạo di chuyển 40 000 km
quanh trục của Trái Đất. Nơi giữa xích đạo v các cực, có sự tăng dần về độ lớn của
lực Coriolis khi vĩ độ tăng. Mối liên hệ giữa vĩ độ v độ lớn của lực Coriolis ở Nam
bán cầu cũng giữ nguyên nh vËy, víi mét kh¸c biƯt duy nhÊt l sù lƯch h ớng biểu
kiến sang phía trái, chứ không phải l sang phía phải, vì Nam bán cầu xoay theo
chiều cùng kim đồng hồ.
Độ lớn của lực Coriolis tăng theo tốc độ gió. Việc n y thoạt đầu có vẻ trái víi
linh nghiƯm, nh ng rÊt quan träng ph¶i nhËn biÕt. Lùc Coriolis tham gia v o l m
quay h íng, sù quay h íng diƠn ra trong mét gia l ợng thời gian đang xét (ví dụ,
một giây) - chứ không phải l tổng l ợng quay h ớng diễn ra trong thêi gian mét
vËt di chun tõ mét vÞ trí cụ thể tới vị trí khác. HÃy cân nhắc: nÕu mét vËt cã tèc
®é cùc tiĨu cã thĨ (b»ng 0), nó không bị quay h ớng. Một vật di chun rÊt chËm cã
thĨ bÞ quay h íng chËm d·i, nh ng trong một gia l ợng thời gian ngắn n o ®ã sù
quay h íng cã thĨ l cùc tiểu. Một vật chuyển động nhanh sẽ di chuyển trên một
khoảng cách đáng kể trong cùng thời khoảng v do đó bị quay h ớng nhiều hơn.

về bên phải, mặc dù chúng ta biết quả
bóng đà đi trên một đ ờng thẳng.

4-4: Những nguyên lý vật lý:
Hiệu ứng Coriolis

Khi mô tả gió v những chuyển động
khác, chúng ta phải theo quy íc lÊy bỊ
mỈt l m mét khung tham chiÕu. VÝ dơ,
khi chóng ta nãi giã 10 m/s, cã nghÜa l
không khí di chuyển qua bề mặt với tốc độ
10 m/s. Do bề mặt xoay, chúng ta mô tả
các chuyển ®éng t ¬ng ®èi so víi khung
tham chiÕu ®ang xoay. Kết quả l một vật
chuyển động trên một đ ờng thẳng so với
các ngôi sao th nh ra đi theo một đ ờng
vòng cung trên bề mặt Trái Đất, nh trên
hình 4.10. Trên hình 4.10a, quả bóng
đang nằm tại tâm của một nền xoay ng ợc
chiều kim đồng hồ. Khi nã di chun vỊ
phÝa mèc chèt (b) v (c), th× nền đang xoay
ở phía nơi quả bóng. Đến lúc quả bóng đạt
tới rìa (d), mặt nền đà quay đi đáng kể v
mốc chốt mục tiêu của quả bóng cũng thế.
Nếu dùng mặt nền l m một khung tham
chiếu, quả bóng th nh ra đà bị quay ngoặt

Độ lớn của lực Coriolis đ ợc xác
định bằng tốc độ m h nh tinh quay
(hằng số), tốc độ của vật (hoặc gió) khi

nó chuyển động qua bề mặt v vĩ độ. Một
cách chính xác hơn, độ lớn đó có thể biểu
diễn bằng
FC = 2Ω v sin ϕ ,

trong ®ã FC l lùc Coriolis, l tốc độ
xoay của Trái Đất (1 vòng trong ng y), v
l tèc ®é giã v ϕ l vÜ ®é (l u ý r»ng t¹i
xÝch ®¹o sin ϕ = 0 v không có lực
Coriolis). Nh đà viết ở đây, ph ơng
trình cho lực Coriolis của khối l ợng đơn
vị, nghĩa l lực của 1 kg không khí
chuyển động. Nếu kết hợp thông tin với
định luật thứ hai của Newton, theo đó
gia tốc l lực của khối l ợng đơn vÞ,
chóng ta thÊy r»ng FC l mét gia tèc cơ thĨ l gia tèc Coriolis. Nh vËy, tõ
nay vỊ sau chúng ta không cần bận tâm
phân biệt giữa gia tốc Coriolis v lực
Coriolis, m sẽ sử dụng hai đại l ợng đó
thay thế lẫn nhau.

Sau khi nghiên cứu b i chỉ dẫn trên đĩa CD về chủ đề n y, chúng ta nên nắm
vững bốn đặc điểm cơ bản sau ®©y cđa lùc Coriolis:
146




1) Lùc Coriolis l m lƯch h íng tÊt c¶ các vật chuyển động, bất kể chúng
chuyển động theo h ớng n o. H ớng quay sang bên phải ở Bắc bán cầu v

sang bên trái ở Nam bán cầu.
2) Lực Coriolis bằng 0 tại xích đạo v tăng lên khi vĩ độ tăng, đạt giá trị cực đại
tại các cực.
3) Lực Coriolis tác động lên vật chuyển động tăng lên cùng với tốc độ của vật.
4) Lực Coriolis chỉ l m thay ®ỉi h íng cđa mét vËt chun ®éng, m kh«ng
thay ®ỉi tèc ®é cđa nã.
Lùc Coriolis kh«ng lớn so với những lực th ờng gặp khác. Để tạo ra đ ợc
những hiệu ứng có thể thấy đ ợc, lực Coriolis phải tác động trong những khoảng
thời gian t ơng đối d i. Nó quan trọng chủ yếu đối với chuyển động của các vật di
chuyển trên những khoảng cách d i, nh không khí quay vòng quanh một cơn bÃo.
Đối với các chuyển động diễn ra trên những khoảng cách ngắn, hiệu ứng của nó có
thể bỏ qua. Nh vËy, mỈc dï mét có nÐm bãng cịng chịu đựng một sự lệch h ớng
nho nhỏ do Trái Đất xoay, nh ng lệch h ớng ít đến nỗi đó không thể l lý do biện
hộ cho một lỗi ném tr ợt đích. Cũng vì lý do đó, lực Coriolis không ảnh h ởng thật
sự tới chuyển động của xoáy n ớc trong bồn tắm hay chậu rửa trong phòng bếp, trái
ng ợc với gì m nhiều ng ời nghÜ. N íc cã xoay vßng theo chiỊu hay ng ợc chiều
kim đồng hồ hay không th ờng l do sự bất đối xứng của hình dạng bồn n ớc, hay
do h ớng xoáy ban đầu của n ớc khi chảy từ vòi ra quyết định. Gia tốc Coriolis có
mặt, nh ng nó không thể tạo ra những thay đổi đáng kể về h ớng, vì nó có quá ít
thời gian để tác động tr ớc khi n ớc đạt tới lỗ thoát.

4-5: Những nguyên lý vật lý:
Ph ơng trình chuyển động
Một khi građien áp suất ngang tồn
tại, thì không khÝ cã xu h íng di chun
tõ khu vùc ¸p suất cao tới nơi áp suất
thấp. Tuy nhiên, gió rất hiếm khi thổi
thẳng từ nơi áp cao đến nơi áp thấp, bởi vì
những lực khác xuất hiện tác động tới cả
h ớng v tốc độ của gió.

Định luật thứ hai của Newton nói
rằng, gia tốc m một phần tử không khí có
đ ợc phụ thuộc v o lực ròng tác động lên
nó, vậy chúng ta phải bổ sung tất cả các
lực cùng nhau v xét h ớng v độ lớn của
từng lực. Với chuyển động ngang, ta phải
tính tới các hiệu ứng tổng hợp của građien
áp suất, ma sát v hiệu ứng Coriolis.
Ph ơng pháp thuận tiện để tổng hợp

cả ba lực n y l dùng ph ơng trình
chuyển động. Nếu chúng ta biểu diễn
các lực tác động lên đơn vị khối l ợng
không khí, ví dụ 1 kg, th nh những số
hạng, ph ơng trình chuyển động có thể
đ îc viÕt nh sau:
Δv / Δt = F p + FC + Ff ,

ở đây F p đại diện cho građien áp suất,
FC l hiệu ứng Coriolis v

Ff l ma sát.

Nhớ lại rằng lực trên khối l ợng đơn vị
l gia tèc ( F / m = a ) ; do đó, tất cả ba số
hạng ở vế phải ph ơng trình l các gia
tốc: gia tốc do građien áp suÊt, gia tèc
Coriolis v gia tèc ma s¸t. ë vÕ trái l
biến đổi vận tốc trong 1 đơn vị thời gian,
cũng l gia tốc.

Một cách đơn giản, ph ơng trình
chuyển ®éng chØ ra r»ng gia tèc m mét
khèi l ỵng không khí nhận đ ợc l tổng
của các gia tốc do ba lực vừa nêu gây ra.



147


Ph ơng trình chuyển động l một
biểu thức của sự bảo to n động l ợng.
Giống nh chúng ta biết những biến đổi
nhiệt độ không tự d ng m có, chóng ta
biÕt r»ng gia tèc kh«ng thĨ bÊt ngê xt
hiƯn, m sinh ra từ một tổ hợp các lực.
Rất nhiều khi các số hạng riêng rẽ
trong ph ơng trình chuyển động gần nh
loại trừ lẫn nhau, cho nên gia tốc của
không khí th ờng nhỏ hơn nhiều so với
các gia tốc riêng rẽ. Đây không phải l
ngẫu nhiên. Ng ợc lại, các gia tốc n y tác
động với nhau theo những cách rất tinh tế
l m hạn chế rất nhiều đến gia tốc ròng.
Lấy một ví dụ đơn giản, nếu mọi thứ khác
nh nhau, ma sát tăng lên theo tốc độ gió
tăng. Nếu không nh vậy, thì gió sẽ phải
mạnh hơn nhiều.
Chúng ta phải nhận xét hai nét quan
trọng về ph ơng trình chuyển động. Thứ

nhất, l u ý rằng ph ơng trình cho ta gia
tốc của không khí chứ không phải vận tốc.
Các gia tốc có thể tổng cộng lại bằng
không, nh ng điều đó không có nghĩa l

không có gió. Nó chỉ có nghĩa l gió
không thay đổi về vận tốc hoặc h ớng.
Thứ hai, tất cả các gia tốc trong ph ơng
trình của chúng ta đều l những gia tốc
theo ph ơng ngang; do đó, ph ơng trình
cung cấp thông tin về những chuyển
động ngang, không phải những chuyển
động thẳng đứng. Dĩ nhiên, các chuyển
động thẳng đứng cũng tuân theo định
luật thứ hai của Newton, nh ng chúng
ta ch a xét chúng trong ph ơng trình
chuyển động n y.
Ph ơng trình chuyển động có thể
xem nh l một dạng của nguyên lý cân
bằng, l một trong các ph ơng trình gọi
l cơ bản hay nguyên thủy của khí
quyển. Nó l cốt lõi của các ch ơng trình
máy tÝnh lín dïng trong dù b¸o thêi tiÕt
v trong c¸c mô hình ho n l u chung để
nghiên cứu biến đổi khí hậu quy mô to n
cầu. Trong một t i liệu nhập môn nh
cuốn sách n y, nó dùng để nêu khái
niệm, khích lệ sinh viên tìm tòi những
lực gây nên những biến đổi của gió.

Ma sát

Nhân tố khác ảnh h ởng tới chuyển động của không khí l ma sát. Không khí
tiếp xúc với bề mặt chịu sức cản ma sát, nó l m giảm tốc độ gió. Không khí ở ngay
sát ngay bên trên, tiếp xúc với lớp gần bề mặt chuyển động chậm, cũng chịu sức cản
ma sát, nh ng từ phía không khí nằm d ới, chứ không phải từ phía bề mặt. Khi lớp
không khí n y bị giảm tốc độ, thì không khí ở cao hơn cũng bị tác động t ơng tự.
Nh vậy, các hiệu ứng của ma sát bắt nguồn từ bỊ mỈt, nh ng biĨu hiƯn trong to n
líp khÝ quyển tầng thấp.
Nói chung, ma sát quan trọng trong phạm vi líp 1,5 km phÝa d íi cđa khÝ
qun - th êng gäi l líp biªn h nh tinh, hay đơn giản l lớp biên. Ma sát l m
chậm tốc ®é giã øng víi gra®ien ¸p st ®· cho, cịng l m giảm lực Coriolis. Ng ợc
lại, không khí trong khí quyển tự do ở bên trên khoảng 1,5 km chỉ bị ma sát
không đáng kể. Trong điều kiện không có ma sát, gió trong lớp khí quyển tầng cao
đơn giản hơn nhiều. Do đó, chúng ta bắt đầu b n luận bằng việc mô tả những hình
thế gió của lớp khí quyển trên cao.
Gió trong khí quyển trên cao

Hình 4.11 minh họa kiểu hình thế áp suất đơn giản nhÊt cã thĨ tån t¹i trong
khÝ qun tù do. Trong tr ờng hợp n y, các đ ờng đồng mức độ cao thẳng v song
song với nhau, lực građien áp suất h ớng lên phía bắc. Giả thiết rằng một quả cầu
148




thám không với mật độ bằng không khí xung quanh bị neo giữ v o một cái cột trong
khí quyển tự do. Mặc dù quả cầu bị giữ tại chỗ, nh ng nó vẫn nhạy cảm với lực
građien áp suất tác động lên nó.

Hình 4.11. Lực građien áp suất h ớng từ nam lên bắc trong phân bố giả định ®é cao cña mùc 500
mb. Trong mét h nh tinh không xoay, điều n y có thể l m cho không khí di chuyển từ nam lên bắc

Hình 4.12. Gió địa chuyển. Giả sử có một phần tử không khí dừng ở trong khí quyển trên cao
chịu tác động của lực građien áp suất h ớng từ nam lên bắc (a). Nếu phần tử bị r ng buộc v o
một cọc t ởng t ợng, thì chuyển động của phần tử không thể xảy ra. Khi dây buộc t ởng t ợng
bị cắt, građien áp suất ngang di chuyển phần từ về phía bắc (b). Lúc đầu, khi tốc độ gió còn
yếu (biểu diễn bằng mũi tên ngắn), lực Coriolis nhỏ. Khi phần tử tăng tốc độ (mũi tên d i hơn),
độ lớn của lực Coriolis tăng lên v gây nên di chuyển xa hơn về bên phải (c). Dần dần, tốc độ
gió l m tăng lực Coriolis đủ để l m cho kh«ng khÝ tr«i vu«ng gãc víi lùc građien áp suất



149


Hình 4.12 cho thấy điều gì diễn ra khi dây giữ bị đứt. Lúc đầu, quả cầu ch a
chuyển động, v do đó, không có gia tốc Coriolis. Nh ng sau khi dây bị cắt (a), lực
građien áp suất đẩy nhẹ quả cầu h ớng về vùng áp suất thấp. Vì lực građien áp
suất l m cho quả cầu chuyển động nhanh hơn, kéo theo lực Coriolis cùng tăng v
quả cầu tăng tốc nhanh, xa hơn về phía bên phải (tại Bắc bán cầu) (b) v (c). Cuối
cùng, không khí trôi song song với những đ ờng đồng mức độ cao (d). Tại điểm n y,
lực Coriolis v lực građien áp suất cân bằng với nhau, vì vậy không có lực ròng tác
động lên không khí.
Từ đây về sau, quả cầu di chuyển song song với các đ ờng đồng mức độ cao,
trong tr ờng hợp n y l những đ ờng thẳng, với một tốc độ không đổi. Nói khác đi,
dòng không khí trở th nh không gia tốc, với tốc độ v h ớng không thay đổi. Dòng
không gia tốc nh thế đ ợc gọi l dòng địa chuyển (hay gió địa chuyển), v nó
xảy ra khi lực građien áp suất bằng lực Coriolis. Dòng địa chuyển chỉ xuất hiện
trong lớp khí quyển trên cao, nơi không có ma sát v chỉ có lực građien áp suất v

lực Coriolis tác động.
Bạn có thể phân vân tại sao dòng không khí trên hình 4.12d không quay ng ợc
trở lại khu vực áp suất cao. Câu trả lời đơn giản nhất l nếu nh nó chuyển động
trên h ớng n y, thì nó phải trôi ng ợc với lực građien áp suất. Điều đó sẽ l m chậm
dòng không khí, l m giảm lực Coriolis v do đó, l m cho dòng quay trở về phía bản
thân nó. Cũng nh vậy, nếu dòng không khí quay h ớng về phía bắc, không khí sẽ
nhận một lực đẩy từ lực građien áp suất. Điều đó dẫn đến một gia tốc Coriolis lớn
hơn, nó sẽ l m cho không khí quay về phía nam. Chúng ta thấy rằng dòng địa
chuyển l ổn định, nghĩa l một khi đ ợc hình th nh, thì không dễ gì phá vỡ. (Để
xét một cách chi tiết hơn về quá trình n y, hÃy xem b i h ớng dẫn Các lực v
chuyển động khí quyển trong đĩa CD-ROM của sách n y).
Dòng siêu địa chuyển v tựa địa chuyển

Tình huống đ ợc diễn tả trên hình 4.11 l một tr ờng hợp đơn giản, trong ®ã
lùc gra®ien ¸p suÊt ®ång nhÊt, c¸c ® êng ®ång mức thẳng v song song trên to n
vùng. Những tình huống nh vậy xảy ra trong tự nhiên, nh ng l ngoại lệ hơn l
thông lệ. Một tr ờng hợp phân bố áp suất phổ biến hơn l kiểu đ ợc biểu diễn trên
hình 4.13, trong đó các đ ờng đồng mức độ cao cong v các khoảng cách giữa các
đ ờng thay đổi. Trong điều kiện không có lực ma sát, không khí trôi song song với
các đ ờng đồng mức bởi cùng những nguyên nhân nh trong dòng địa chuyển.
Nh ng kiểu dòng n y không thực sự l địa chuyển, bởi vì nó liên tục thay đổi h ớng
v do đó, nó có gia tốc. Để không khí trôi theo các đ ờng đồng mức, ở đây phải có
một sự liên kết liên tục giữa các lực građien áp suất v Coriolis. Các nh khí t ợng
học gọi chuyển động n y l dòng građien (hay gió građien). Giống nh dòng địa
chuyển, dòng građien chỉ phát triển khi vắng mặt lực ma sát, v gió thổi vuông góc
với građien áp suất. Trên thực tế, dòng địa chuyển chỉ l một tr ờng hợp đặc biệt
của dòng građien, nó xuất hiện trong tr ờng hợp các đ ờng ®ång møc ®é cao th¼ng
v song song.

150

Hình 4.13. Gió građien. Dòng građien xuất hiện ở lớp khí quyển trên cao,
nơi dòng không bị ma sát từ bề mặt tác động. L u ý rằng dòng địa
chuyển l một tr ờng hợp đặc biệt của dòng građien khi không có gia tốc

Hình 4.14. Dòng siêu địa chuyển (a) x¶y ra trong líp khÝ qun cao xung quanh các hệ
thống áp cao. Khi không khí trôi, nó liên tục quay phải. Chuyển động quay đó xuất
hiện bởi vì lực Coriolis có độ lớn lớn hơn lực građien áp suất (độ d i của các mũi tên
gạch nối). HÃy theo dõi h ớng thay đổi của bốn mũi tên đậm nét 1 đến 4. Dòng tựa địa
chuyển (b) xảy ra trong líp khÝ qun cao xung quanh c¸c hƯ thống áp thấp. Lực
građien áp suất lớn hơn lực Coriolis v không khí quay về phía bên trái ở Bắc bán cầu



151