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

®¹i häc quèc gia H Néi
______________________________________________________________

Edward Aguado v

THêi tiÕt v

James E. Burt

khí hậu

Biên dịch: Đặng Thị Hồng Thủy
Nguyễn Lan Oanh

Nh

Xuất bản đại học quốc gia H



Nội


2




Mục lục
Phần 1 - Năng l ợng v
Ch ơng 1. Th nh phần v

khối l ợng

cấu trúc của khí quyển

Độ d y của khí quyển
Cấu tạo của khí quyển
Các chất khí vĩnh cửu
Các chất khí biến đổi
Hơi n ớc
Khí cacbonic
Ôzôn
Mêtan
Son khí
Cấu trúc thẳng đứng của khí quyển
Phân lớp dựa trên các trắc diện nhiệt độ
Lớp dựa trên các tính chất ®iƯn häc: i«n qun
Sù tiÕn hãa cđa khÝ qun
Mét sè kiến thức cơ sở về thời tiết
áp suất khí quyển v gió
Nhiệt độ
Độ ẩm
Các khí quyển h nh tinh
Dự báo thêi tiÕt - võa l nghÖ thuËt võa l khoa học
Ch ơng 2. Bức xạ Mặt Trời v

9
11
12
14

14
15
16
19
21
22
24
25
28
30
32
33
37
37
38
41

các mùa

Năng l ợng
Các loại năng l ợng
Những cơ chế truyền năng l ợng
Bức xạ
L ợng v chất của bức xạ
C ờng độ v b ớc sóng của bức xạ
Hằng số Mặt Trời
Những nguyên nhân tạo nên các mùa của Trái Đất

51
52
52
54
56
57
59
68
69

3


Ch ơng 3. Cân bằng năng l ợng v

nhiệt độ

ảnh h ởng của khí quyển đối với bức xạ tới
Hấp thụ
Phản xạ v tán xạ

85
87
87
87

Vận chuyển
Số phận của bức xạ Mặt Trời
Những quá trình truyền năng l ợng giữa bề mặt v khí quyển
Trao đổi bức xạ bề mặt - khí quyển

Bức xạ thuần v nhiệt độ
Biến thiên theo vĩ độ
Hiệu ứng nh kính
Phân bố nhiệt độ to n cầu
Những yếu tố ảnh h ởng tới nhiệt độ
T ơng phản giữa đất v n ớc
Các hải l u nóng v lạnh
Các nhân tố địa ph ơng ảnh h ởng tới nhiệt độ
Đo nhiệt độ
Các giá trị trung bình v biên độ nhiệt độ
Những cực trị to n cầu
Nhiệt độ v tiƯn nghi cđa con ng êi
BiĨu ®å nhiƯt ®éng lùc v trắc diện nhiệt độ thẳng đứng

92
92
94
94
102
103
104
107
107
110
111
111
112
117
119
119

121

gió

127

Khái niệm về áp suất
Biến thiên áp suất theo ph ơng thẳng đứng v ph ơng ngang
Ph ơng trình trạng thái
Đo áp suất
Sự phân bố áp suất
Građien áp suất
Građien áp suất ngang trong lớp khí quyển trên cao
Những lực ảnh h ởng tới tốc ®é v h íng giã
Giã trong khÝ qun trªn cao
Giã gần bề mặt
Xoáy thuận, xoáy nghịch, rÃnh áp thấp v sống áp cao
Đo gió

127
130
134
134
138
139
141
144
148
152
153

157

Ch ơng 4. áp suất khí quyển v

Phần 2 - N ớc trong khí quyển
Ch ơng 5. §é Èm khÝ qun
H¬i n íc v n íc láng
Bay hơi v ng ng tụ
Các chỉ số về dung l ợng hơi n ớc
Phân bố hơi n ớc
Những quá trình l m cho không khí đạt tới bÃo hòa
4



163
164
164
166
174
174


Các hiệu ứng của độ cong v dung dịch
Quan trắc độ ẩm
Độ ẩm cao v tác động bất lợi đối với con ng ời
Sự hạ nhiệt của không khí tới điểm s ơng hoặc điểm đóng băng
Các dạng ng ng tụ
Sự phân bố s ơng mù
Sự hình th nh v tiêu tán các giọt mây

Ch ơng 6. Sự phát triển mây v

các dạng mây

Những cơ chế nâng không khí lên cao
Độ ổn định tĩnh v tốc độ giảm nhiệt độ của môi tr ờng
Những nhân tố ảnh h ởng tới tốc độ giảm nhiệt độ của môi tr ờng
Những quá trình hạn chế chuyển động thăng của không khí bất ổn định
Không khí ổn định thái cực: nghịch nhiệt
Các loại mây
Mây tầng cao
Mây tầng trung
Mây tầng thấp
Loại mây phát triển thẳng đứng
Những đám mây bất th ờng
Độ che phủ của mây
Ch ơng 7. Các quá trình giáng thủy
Sự lớn lên của các giọt mây
Lớn lên do ng ng kết
Lớn lên trong mây ấm
Lớn lên trong các đám mây mát v lạnh
Các kiểu giáng thủy
Tuyết
M a
M a tuyết v m a đá
M a kết băng
Đo giáng thủy
Các máy đo m a
Quan trắc tuyết
Gieo mây nhân tạo

Phần 3 - Phân bố v

179
183
185
186
191
197
198
205
206
210
215
219
221
224
225
228
231
232
236
238
243
244
247
248
250
253
253

257
258
261
262
263
266
267

chuyển động của không khí

Ch ơng 8. Ho n l u khí quyển v

phân bố áp suất

Mô hình một nhân
Mô hình ba nhân
Các nhân áp suất bán vĩnh cửu
Đối l u qun tÇng cao



273
274
276
281
283
5


Các đại d ơng

Các hệ thống gió chính
T ơng tác đại d ơng - khí quyển
Ch ơng 9. Các khối khí v

292
297
309
front

Sự hình th nh của các khối khí

319
320

Các khu vực nguồn

320

Các khối khí lục địa cực đới (cP) v khối khí lục địa Bắc Băng D ơng

322

Các khối khí biển cực đới (mP)

325

Các khối khí lục địa nhiệt đới (cT)

329

Các khối khí biển nhiệt đới (mT)

330

(cA)

Front

330

Front lạnh

332

Front nóng

335

Front dừng

337

Front tù

337

Các tuyến khô

340

Phần 4 - Các nhiễu động
Ch ơng 10. Xoáy thuận vĩ độ trung bình

345

Lý thuyết front cực đới
Chu kỳ sống của một xoáy thuận vĩ độ trung bình
Các quá trình trong đối l u quyển tầng trung v tầng cao
Các sóng Rossby v độ xoáy
Các front bề mặt v các hình thế mực cao
Các front lạnh v sự hình th nh các rÃnh thấp ở mực cao
Ví dụ về một xoáy thuận vĩ độ trung bình
Các hình thế gió v thời tiết quy mô lớn
Quan điểm hiện đại - các xoáy vĩ độ trung bình v các đai chuyền
Các xoáy nghịch

346
346
352
352
357
357
361
366
369
373

Ch ơng 11. Sấm sét, gió lốc v

vòi rồng

Những quá trình hình th nh sấm sét
An to n sét
BÃo tố: tự tiêu tan v tự sinh sôi
Phân bố lốc tố theo không gian v thời gian
Vòi rồng

6



376
377
383
385
397
398


Ch ơng 12. BÃo v

xoáy thuận nhiệt đới

BÃo nhiệt đới trên Trái Đất
Các đặc tr ng của bÃo nhiệt đới
Sự hình th nh bÃo nhiệt đới
Sự di chuyển v tan rà của bÃo nhiệt đới
Sự t n phá v những rủi ro do bÃo gây ra
Theo dõi v cảnh báo bÃo

419
420
422
425
428
432
437

Phần 5 - Hoạt động con ng ời
Ch ơng 13. Dự báo v

phân tích thời tiết

457

Vì sao dự báo thời tiết ch a ho n thiện
Các ph ơng pháp dự báo
Các kiểu dự báo
Đánh giá dự báo
Thu thập v truyền phát số liệu
Quy trình dự báo v sản phẩm dự báo
Bản đồ v ảnh thời tiết
Biểu đồ nhiệt động lực
Phụ lục ch ơng 13: Các mô hình dự báo số
Các đặc tr ng của mô hình
Những tiêu chí về độ chính xác v kỹ năng dự báo

458
459
460

461
463
467
478
488
495
495
498

Ch ơng 14. Tác động con ng ời: Ô nhiễm khí quyển
v các đảo nhiệt
Các chất ô nhiễm khí quyển
Các hạt khí quyển
Các chất ôxit cacbon
Hợp chất của l u huỳnh
Các ôxit nitơ (NOx)
Các hợp chất hữu cơ bay hơi (hyđrocacbon)
S ơng mù quang hóa
Kiểm soát ô nhiễm không khí khí quyển
ảnh h ởng của gió tới vận chuyển ph ơng ngang
ảnh h ởng của độ ổn định khí quyển
Các đảo nhiệt ở đô thị
Các hiệu ứng bức xạ
Những biến đổi về dự trữ nhiệt
Truyền nhiệt hiện v nhiệt ẩn
Các đảo nhiệt v dấu hiƯu cđa biÕn ®ỉi khÝ hËu

504

505
505
509
510
513
514
514
517
517
518
519
520
525
525
526

7


Phần 6 khí hậu hiện tại, quá khứ v

t ơng lai
530

Ch ơng 15. Khí hậu Trái Đất
Định nghĩa khí hậu
Hệ thống phân loại của Koeppen
Các kiểu khí hậu nhiệt đới
Các kiểu khí hậu khô

Các kiểu khí hậu ôn hòa vĩ độ trung bình
Các kiểu khí hậu khắc nghiệt vĩ độ trung bình
Các kiểu khí hậu cực
Khí hậu núi cao (H)

531
532
535
541
547
552
553
556

Ch ơng 16. biến đổi khí hậu: quá khứ v

t ơng lai

Định nghĩa biến đổi khí hậu
Các quy mô thời gian của biến đổi khí hậu
Các nền khí hậu trong quá khứ
Những nhân tố tham gia v o biến đổi khí hậu
Những cơ chế liên hệ ng ợc
Các mô hình ho n l u chung
Các ph ơng pháp xác định khí hậu quá khứ

Phần 7 - Các chuyên đề v

560
560

562
564
573
586
591
593

phụ lục

Ch ơng 17. Quang học khí quyển

604

Các hiệu ứng không khí sạch
Quang học mây v giáng thủy
Cầu vồng
H o quang, mặt trời giả v trụ mặt trời
Quầng sáng v quầng h o quang

604
609
609
612
613

Phụ lục A - Một số đơn vị ®o v

618

chun ®ỉi

Phơ lơc B - KhÝ qun tiªu chn

619

Phơ lục C - Các ký hiệu bản đồ thời tiết

620

8




Phần 1 - Năng l ợng v

khối l ợng

Ch ơng 1
Th nh phần v

cấu trúc của khí quyển

Thông báo thời tiÕt nguy hiĨm
C¬ quan Thêi tiÕt Qc gia Norman Oklahoma
7g31ph chiều Thứ hai, 3/5/1999
Gió lốc sức phá hủy lớn đang di chun qua trung t©m th nh phè Oklahoma.
Mét trËn lốc lớn đà gây thiệt hại nặng tại các khu phÝa nam cđa vïng trung
t©m th nh phè Oklahoma. Lóc 7g31ph chiỊu giã lèc ®· ®i v o qn Nam
Oklahoma ở phía đông xa lộ liên bang 35 v phía nam công viên ngà t . C

dân ở đông nam th nh phè Oklahoma v th nh phè Midwest ®ang trong tình
trạng nguy hiểm! Nếu quý vị sống gần các khu vực trên hÃy lập tức thực hiện
những biện pháp phòng gió lốc! Lốc đà đang di chuyển về phía đông bắc. Đây
l một tình huống cực kỳ nguy hiểm v đe dọa mạng sống. Nếu quý vị đang ở
v o đ ờng đi của cơ gió lốc lớn v t n ph¸ n y h·y nhanh chãng Èn nÊp.
Bulletin - Cảnh báo gió lốc
Cơ quan Thời tiết Quốc gia Norman Oklahoma
10g17ph chiỊu Thø hai, 3/5/1999
C¬ quan Thêi tiÕt Qc gia tại Norman đà phát h nh
* Cảnh báo gió lốc cho quận Noble ở đông bắc Oklahoma tới 10g45ph chiỊu
* Lóc 10g17ph chiỊu mét khu vùc giã lèc bỊ rộng 1 dặm đà đ ợc ghi nhận gần
Mulhall, đang di chuyển lên phía đông bắc với tốc độ 30 dặm một giờ.
Cơn lốc n y sẽ cắt qua xa lộ liên bang 35 gần hoặc phía nam Perry. C dân
quận Noble cần lập tức phòng tránh. Perry thuộc đ ờng đi của cơn bÃo n y.
Đây l một tình huống cực kỳ nguy hiểm v khả năng đe dọa mạng sống. Nếu
quý vị đang ở trên đ ờng đi của cơn gió lốc lớn v t n phá n y hÃy nhanh
chóng ẩn nấp.
Các trận gió lốc đặc biệt nguy hiểm v o ban đêm, bởi vì chúng khó nhìn thấy.
HÃy lập tức ẩn nấp. Nếu không có tầng hầm, hÃy di dời v o phòng sâu bên
trong hoặc h nh lang ở tầng thấp nhất. Giữ điện thoại di động ở nh v xe cộ
l m nơi trú tạm thời. HÃy rời xa các cửa sổ.
Suốt buổi chiều v tối ng y 3 tháng 5 năm 1999 h ng chơc b¶n tin t vÊn sù cè
kiĨu nh hai bản tin trên đây đà đ ợc phát báo cho d©n c vïng trung nam n íc
Mü, khi mét trong những trận gió lốc bùng phát tồi tệ nhất trong nhiều thập niên
trừng phạt khu vực n y. Khu vực hứng chịu nặng nề nhất l trung tâm Oklahoma,
nơi 57 cơn lốc l m thiệt mạng ít nhất 44 v gây th ơng tích 748 ng ời. ở Kansas 5
ng ời khác đà chết v 11 nghìn tòa nh hoặc doanh nghiệp bị h hại v phá hủy.

9


V i ng y sau, chính cơn bÃo đà sinh ra những trận lốc đà chậm dÃi tiến tới các
bang lân cận, giết hại thêm 5 ng ời ở Texas v Tennessee.
HÖ thèng b·o gåm 11 yÕu tè b·o chÝnh, gọi l các siêu ổ, trải d i trên tuyến tây
nam đến đông bắc. Mỗi siêu ổ tạo ra ít nhất một giông, siêu ổ mạnh nhất sản sinh
22 giông trong thời gian 3 giờ khi nó du ngoạn trên quÃng đ ờng 61 km (38 dặm).
Trận dông lớn nhất của nó đ ợc xếp loại F5 - loại phá hđy m¹nh nhÊt cã thĨ, cã bỊ
réng 1 km v kéo d i trên mặt đất gần 4 giờ. Giông F5 l giông mạnh nhất, Bắc Mỹ
ch a từng trải một trận giông nh vậy trong thời kỳ 3 năm liền sau đó.
Mặc dù đà khủng khiếp nh vậy, song sự việc có thể còn tồi tệ hơn nhiều nếu
nh Cơ quan Thời tiết Quốc gia không có năng lực dự báo, theo dõi v cảnh báo tiên
tiến. Một công trình nghiên cứu dựa trên những quan trắc d i hạn cho rằng khoảng
700 ng ời có thể đà bị thiệt mạng nếu nh Cơ quan Thời tiết không đ ợc hiện đại
hóa nh ng y nay. Những ng ời nh Đại úy Không Lực John Millhouse chắc sẵn
sáng đồng ý với nhận định trên. Khi nghe đ ợc một trong những tin cảnh báo dông,
ông v gia đình đà di dời xuống tầng trệt của nh mình. Khi họ thoát nạn, chỉ trơ
chọi hai bức t ờng của tòa nh còn sót, tất cả những gì còn lại đà bị phá hủy ho n
to n.
Bảng 1.1. Số l ợng thiên tai v tổn thất t i chính trung bình năm
do các sự kiện thời tiết ở Mỹ thập kỷ 90
Sự kiện

Lũ lụt
BÃo nhiệt đới
BÃo mùa đông
Giông lốc
Nóng cực đoan
Lạnh cực đoan

Sét
M a đá
Tổng cộng

Số vụ thiên tai
trung bình năm

Tổn thất trung bình năm
(theo $ năm 1999)

98
21
57
56
282
292
69
1
876

5 300 000 000
5 400 000 000
329 000 000
777 000 000
85 000 000
368 000 000
38 000 000
938 000 000
13 000 000 000

Không phải tất cả những hiện t ợng thời tiết đều thảm hại nh các trận giông,
nh ng đúng l thời tiết có một tác động to lớn tới đời sống h ng ng y của chúng ta:
chúng ta vui đón vẻ đẹp của bình minh, chúng ta kinh ngạc với sức mạnh của các
cơn bÃo nhiệt đới, chúng ta mong m a r o để nuôi d ỡng những khu v ờn của mình
v than phiền về nóng v lạnh. Rồi thời tiết có thể l m hỏng những kế hoạch đi lại
của chúng ta - trong năm 2000 những nhõng nhẽo của khí quyển đà gây nên hơn
300 000 vụ hoÃn bay của h ng không Hoa Kỳ! Bảng 1.1 tổng kết những ớc l ợng
mới đây về giá tổn thất t i chính v ng ời h ng năm do các loại hiện t ợng thời tiết
cực đoan trong phạm vi n ớc Mỹ những năm chín m ơi. Mặc dù các trận bÃo nhiệt
đới v giông có thể chịu trách nhiệm về tổn thất con ng ời đáng sợ, nh ng nóng v
lạnh cực đoan l những kẻ sát nhân lớn nhất ở Mỹ, còn lũ lụt v bÃo gây tổn thất
t i chính to lớn nhất. Bảng 1.1 thực ra ch a đánh giá hết những tổn thất do thêi
10




tiết gây ra. Mặc dù thời tiết cực đoan giết hại gần 900 ng ời mỗi năm, con số n y
chỉ l một phần của khoảng 6 000 vụ bất hạnh giao thông liên quan tới thời tiết xảy
ra chủ yếu do những sự kiện ch a phải l khắc nghiệt lắm.
Mặc dù biết vậy, phần lớn chúng ta biết khá ít nh l m thế n o v vì sao khí
quyển lại xử sự nh vậy. ở những trang sau đây chúng tôi hy vọng đ a ra câu trả
lời cả nh thế n o v vì sao nhằm giúp các bạn hiểu những quá trình vật lý cơ bản.
Nh các bạn sẽ thấy, khí quyển l một hỗn hợp của những phân tử khí, những
phần tử lơ lửng cực bé của chất rắn v chất lỏng v giáng thủy. Khí t ợng học l
khoa học nghiên cứu về khí quyển v các quá trình (nh hình th nh mây, sấm sét
v chuyển động gió) gây nên những gì m chóng ta gäi l “thêi tiÕt”. Ch ¬ng n y
giới thiệu những yếu tố cơ bản nhất của khí t ợng học, l m cơ sở cho phần lớn
những gì tiếp theo trong phần còn lại của cuốn sách n y.
Độ d y của khí quyển

Mỗi đứa trẻ đều từng hỏi: Trời cao bao nhiêu?. Tuy nhiên, không có câu trả
lời xác định cho câu hỏi n y, bởi vì khí quyển của Trái Đất c ng ở những ®é cao lín
c ng lo·ng. Mét ng êi ë trong kinh khí cầu đang bay lên sẽ bị bao quanh bởi một
bầu khí quyển dần dần ít đậm đặc hơn. Tại một độ cao n o đó, không khí trở nên
loÃng đến mức ng ời đi kinh khí cầu sẽ không chịu nổi do thiếu ôxy - nh ng ở đó
vẫn còn l khí quyển. Tại độ cao 16 km, hay 10 dặm, mật độ của không khí chỉ bằng
khoảng 10 % mật độ tại mực n ớc biển, còn tại 50 km (30 dặm) mật độ chỉ còn
khoảng 1 % so víi t¹i mùc n íc biĨn. ThËm chÝ tại các độ cao một số trăm km trên
mực n ớc biển vẫn còn một ít không khí v do đó còn khí quyển. Tuy nhiên, vì
không có một định nghĩa đ ợc ho n to n chấp nhận rằng bao nhiêu không khí chứa
trong một thể tích cho tr íc th× cã nghÜa l cã khÝ qun (thÝ dơ, nếu có một phân
tử không khí trong một km khối thì có l khí quyển không?), nên chúng ta không có
cách n o xác định biên phía trên của nó.

Hình 1.1. Mặc dù vẻ ngo i nhìn từ bề mặt, khí quyển cực mỏng so với phần còn lại của Trái Đất

Nhìn từ bề mặt Trái Đất, khí quyển tỏ ra rất sâu thẳm. Tuy nhiên, thực sự
phần lớn khí quyển đ ợc chứa trong phạm vi một lớp vỏ t ơng đối mỏng bao quanh



11


các đại d ơng v các lục địa. Để b n luận tiếp, ta giả sử rằng giới hạn phía trên của
khí quyển xuất hiện tại 100 km (60 dặm) bªn trªn mùc n íc biĨn (trong thùc tÕ,
99,99997 % khí quyển đ ợc chứa ở phía d ới độ cao n y). Bằng cách so sánh độ d y
100 km n y với bán kính 6500 km (4000 dặm) của Trái Đất, chúng ta thấy rằng độ
d y của khí quyển nhỏ hơn 2 % độ d y Trái Đất tính từ tâm. Điều n y thấy rõ trên
hình 1.1 - ảnh Trái Đất v khí quyển của nó đ ợc chụp từ khoảng không vũ trụ.

Đỉnh của mây dông có lẽ có độ cao khoảng 12 km (7,5 dặm), nh ng khi nhìn từ
khoảng không vũ trụ nó d ờng nh dính xát v o mặt đất. Nói một cách so sánh,
mặc dù khi ng ớc nhìn từ d ới lên ta thấy chúng thật đồ sộ, nh ng những đám
mây đó không d y hơn lớp vỏ của một quả táo.
Do khí quyển mỏng, nên chuyển động của nó trên những khu vực lớn phải chủ
yếu diễn ra theo ph ơng ngang. Thật vậy, ngoại trừ một số ngoại lệ đà biết, các tốc
độ gió ph ơng ngang th ờng một nghìn lần lớn hơn tốc độ gió ph ơng thẳng đứng.
Tuy nhiên, chúng ta không thể xem th ờng những chuyển động thẳng đứng của
gió. Nh ta sÏ thÊy, thËm chÝ nh÷ng di dêi theo ph ơng thẳng đứng nhỏ của không
khí có một tác động quan trọng tới trạng thái của khí quyển. Thật ng ợc đời, những
chuyển động ít ấn t ợng nhất - chuyển động ph ơng thẳng đứng - mặc dù khó phát
hiện v dự báo - lại th nh ra quan trọng nhất trong việc quyết định nhiều h nh vi
của khí quyển.
Mặc dù tính chất mỏng t ơng đối của mình, khí quyển h m chứa một khối
l ợng đáng kĨ. Khèi l ỵng tỉng céng cđa khÝ qun - 5,14 ì 1015 kg, t ơng đ ơng với
5,65 nghìn tỉ tấn - đó l l ợng n ớc có thể lấp đầy một cái hồ kích th ớc California
với độ sâu 13 km (7,7 dặm).
Cấu tạo của khí quyển
Khí quyển cấu tạo từ một hỗn hợp các khí trong suốt v một l ợng lớn các phần
tử chất rắn dạng vi mô lơ lửng v các hạt n ớc. Những phân tử của các chất khí có
thể trao đổi giữa khí quyển v bề mặt Trái Đất thông qua các quá trình vật lý nh
phun núi lửa, hoặc các quá trình sinh học nh sự hô hấp của thực động vật. Các
phân tử còn có thể đ ợc sinh ra v phá hủy bằng những quá trình nội sinh nh
phản ứng hóa học giữa các chất khí.
Xét một chất khí liên tục chu chuyển giữa khí quyển v bề mặt Trái Đất (hình
1.2). Nếu ta t ởng t ợng khí quyển nh một bầu chứa chất khí, nồng độ khí trong
bầu sẽ giữ nguyên không đổi mÃi mÃi nếu tốc độ đầu v o (tốc độ m chất khí di
chun tõ ®Êt v o khÝ qun) b»ng tèc ®é ®Çu ra (tèc ®é m chÊt khÝ di chun tõ
khÝ qun v o ®Êt). Trong ®iỊu kiƯn nh vËy, ta nói rằng nồng độ khí tồn tại ở
trạng thái ổn định.

Mặc dù nồng độ khí quyển của một chất khí giữ nguyên không đổi trong những
điều kiện ổn định, những phân tử riêng rẽ l u lại trong khí quyển chỉ một thời kỳ
hữu hạn tr ớc khi chúng bị di dời bởi những quá trình ra n o đó vận h nh. Khoảng
thời gian trung bình m các phân tử riêng rẽ của một chất đang xét ở lại trong khÝ
qun gäi l thêi gian l u l¹i. Thêi gian l u lại đ ợc tìm bằng cách chia khèi l ỵng
12




cđa chÊt trong khÝ qun (b»ng kg) cho tèc ®é m chÊt ®ã nhËp v o v ra khái khÝ
qun (bằng kg trên năm). Vậy những chất khí n o trao đổi nhanh giữa bề mặt
Trái Đất v khí quyển thì có thời gian l u lại ngắn, đó l những chất khí có nồng độ
khí quyển t ơng đối thấp.

Hình 1.2. Khí quyển có thể xem nh một bầu chứa với
sự trao đổi v o v ra liên tục qua bề mặt v các quá
trình nội tại. Nếu trao ®ỉi v o v ra x¶y ra cïng tèc ®é
sÏ không có biến đổi ròng về dung l ợng khí. Trong (a)
các mũi tên biểu thị tốc độ trao đổi chậm của một chất
khí giả định. Kết quả l phân tử bất kỳ của khí có thể
chắc chắn duy trì mét thêi gian d i tr íc khi bÞ chu
chun ra khái khÝ qun. Trong (b) kÝch th íc cđa
bÇu chứa giữ nguyên, nh ng tốc độ trao đổi nhanh
hơn nhiều, nên chất khí có thời gian l u lại ngắn hơn

Hình 1.2 minh họa khái niệm về một trạng thái ổn định v thời gian l u lại.
Các phần (a) v (b) biĨu diƠn cïng mét khèi l ỵng tạo nên bầu khí quyển, độ d i
các mũi tên v o v ra chỉ tốc độ m các chất khí đ ợc đ a v o v di dời ra khỏi bầu
chứa. Trong (a) các tốc độ v o v ra bằng nhau chỉ một trạng thái ổn định. Cả hai

tốc độ đều nhỏ, tuy nhiên, điều đó có nghĩa rằng phân tử riêng lẻ bất kỳ của chất
khí cã thêi gian l u l¹i d i. Trong (b) cũng có trạng thái ổn định, nh ng tốc độ v o
v ra lín h¬n so víi kÝch th íc bầu chứa dẫn tới thời gian l u lại ngắn hơn.
Các chất khí khí quyển th ờng đ ợc phân loại th nh khí vĩnh cửu hay khí biến
đổi tùy thuộc nồng độ của chúng ổn định hay không. Các chất khí vĩnh cửu l
những chất khí tạo th nh một tỉ phần không đổi của khối l ợng khí quyển, còn các
chất khí biến đổi l những chất khí có phần đóng góp trong khí quyển thay đổi cả
trong thời gian v không gian.
Các khí vĩnh cửu tạo nên phần lớn hơn của khối l ợng khí quyển - 99,999 % v xuất hiện với tỉ phần không đổi trong to n bé líp 80 km thÊp nhÊt cđa khí
quyển. Do sự đồng nhất hóa học của mình, khu vực giới hạn 80 km từ bề mặt Trái
Đất n y đ ợc gọi l đồng nhất quyển (homosphere). Với nhiỊu mơc ®Ých, chóng ta
coi ®ång nhÊt qun nh l to n bộ khí quyển.
Bên trên đồng nhất quyển l đa quyển (heterosphere), nơi đây các chất khí
nhẹ hơn (nh hyđrô v hêli) trở nên c ng áp đảo khi tăng độ cao. Vì th nh phần của
mình thay đổi theo độ cao, đa quyển không chứa các chất khí thực sự vĩnh cửu. Vì
khối l ợng nhỏ tại những độ cao đó, chúng ta sẽ không theo đuổi những chi tiÕt cña



13


®a qun m sÏ chØ ®Ị cËp chđ u tíi đồng nhất quyển.
Các chất khí vĩnh cửu
Đồng nhất quyển cấu tạo chủ yếu từ nitơ v ôxy với những l ợng nhỏ các chất
khí trơ acgôn v neôn v thậm chí những l ợng ít hơn nữa của một số chất khí khác
(bảng 1.2). Nitơ khí quyển tồn tại chủ yếu nh các cặp nguyên tử nitơ liên kết với
nhau để tạo th nh những phân tử đơn ký hiệu l N2. Khí nitơ có trọng l ợng phân
tử 28,02, có nghĩa rằng về trung bình khối l ợng của mét ph©n tư N2 d mét chót
so víi khèi l ợng của tất cả 28 prôtôn v nơtron kết hợp với nhau. Phần lớn tất cả

các nguyên tử N chứa 7 prôtôn v 7 nơtrôn, nh ng một số nguyên tử nặng hơn, có 8
nơtrôn. Kết quả l trọng l ợng phân tử trung bình của N2 hơi lớn hơn 28.
Bảng 1.2. Các chất khí vĩnh cửu của khí quyển
Hợp phần

Công thức

% thể tích

Trọng l ợng phân tử

Nitơ

N2

78,08

28,01

Ôxy

O2

20,95

32,00

Acgôn

Ar

0,93

39,95

Neôn

Ne

0,002

20,18

Hêli

He

0,0005

Kritôn

Kr

0,0001

83,8

Xenôn

Xe

0,00009

131,3

Hyđrô

H2

0,00005

4,00

2,02

Nitơ l một chất khí ổn định, nó tạo th nh 78 % thể tích của tất cả các chất khí
vĩnh cửu, hay 75,5 % của khối l ợng các chất khí vĩnh cưu (sù kh¸c nhau l do c¸c
chÊt khÝ cã träng l ợng phân tử khác nhau nh ng chiếm cùng một thể tích trong
những điều kiện t ơng tự). Những quá trình bổ sung v l m mất nitơ của khÝ
qun x¶y ra rÊt chËm, th nh thư nã cã thêi gian l u l¹i rÊt d i - 42 triệu năm.
Mặc dù thực tế l nó tạo nên hơn 75 % khí quyển, N2 t ơng đối ít quan trọng
xét trên ph ơng diện phần lớn các quá trình khí t ợng v khí hậu học. (Tuy nhiên,
nh chúng ta sÏ b n luËn sau n y, c¸c chÊt khí dẫn xuất của nitơ nh ôxit nitơ rất
quan trọng đối với khí hậu Trái Đất).
Chất khí áp đảo thứ hai - «xy (O2), l m th nh 21 % thĨ tÝch v 23 % khèi
l ỵng cđa khÝ qun. Ôxy quyết định đối với sự tồn tại của hầu nh tất cả các dạng
sự sống. Giống nh nitơ, các phân tử ôxy của khí quyển phần lớn chứa các nguyên
tử cặp đôi, gọi l ôxy hai nguyên tử. Thời gian l u lại bằng khoảng 5 000 năm. Nitơ
v «xy cïng nhau t¹o th nh 99 % cđa tÊt cả các chất khí vĩnh cửu, phần còn lại chủ
yếu l do acgôn. Các quá trình l m mất acgôn rÊt chËm v thêi gian l u l¹i cđa nã

cùc kỳ d i.
Các chất khí biến đổi
Các chất khí biến ®ỉi chØ l m th nh mét tØ phÇn Ýt ái cđa khèi l ỵng khÝ qun

14




(bảng 1.3). Mặc dù l hiếm, một số chất khí ®ã cã ¶nh h ëng tíi h nh vi cđa khí
quyển - v thậm chí tới điều kiện tồn tại của chính các bạn.
Hơi n ớc. Hơi n ớc, phong phú nhất trong số các chất khí biến đổi, chiếm
khoảng một phần t phần trăm của tổng khối l ợng khí quyển. Vì nguồn hơi n ớc
trong khí quyển l sự bốc hơi từ bề mặt Trái Đất, nên nồng độ hơi n ớc thông
th ờng suy giảm nhanh theo độ cao v phần lớn hơi n ớc khí quyển cã mỈt ë trong
líp 5 km thÊp nhÊt cđa khÝ quyển.
N ớc liên tục chu chuyển giữa h nh tinh v khí quyển trong cái gọi l vòng
chu chuyển n ớc. Trái Đất đôi khi đ ợc gọi l h nh tinh n ớc, bởi vì ba phần t
bề mặt của nó bị bao phủ bởi các đại d ơng, khiên băng, hồ hoặc sông. Ngo i ra,
nhiều n ớc tồn tại bên d ới bề mặt Trái Đất cả ở trong các th nh tạo bÃo hòa (n ớc
ngầm) v trong các lớp đất ở bên trên bÃo hòa từng phần. N ớc liên tục bốc hơi từ
mặt n ớc thoáng v từ lá cây v o trong khí quyển, nơi đây nó dần dần ng ng tụ để
tạo th nh các hạt lỏng v các tinh thể băng. Những hạt lỏng v rắn đó bị di dời khỏi
khí quyển thông qua giáng thủy, nh m a, tuyết, m a lẫn tuyết hoặc m a đá. Vì sự
bốc hơi, ng ng tụ v giáng thủy trên Trái Đất xảy ra nhanh, hơi n ớc có thời gian
l u lại rất ngắn, chỉ khoảng 10 ng y.
Bảng 1.3. Các chất khí biến đổi của khí quyển
Hợp phần

Công thức

% thể tích

Trọng l ợng phân tử

Hơi n ớc

H2O

0,25

18,01

Cacbonic

CO2

0,037

44,01

0,01

48,00

Ôzôn

O3

Tất cả chúng ta đều biết không khí ẩm ớt v ngột ngạt ra sao khi h m l ợng

hơi n ớc cao v da chúng ta trở nên khô ráp khi không khí khô. Mặc dù có rất
nhiều mức độ trạng thái vật lý m chúng ta trải nghiệm để thích ứng với những
biến thiên h m l ợng hơi n ớc, nh ng biên độ thực của h m l ợng hơi n ớc l rất
có giới hạn. Gần bề mặt Trái Đất, h m l ợng hơi n ớc biến đổi từ một phần của 1 %
to n bộ khí quyển trên các hoang mạc v các vùng cực đến khoảng 4 % ở các vùng
nhiệt đới. Điều n y có nghĩa l tèi ®a chóng ta cã thĨ thÊy trong sè 100 phân tử
không khí có 4 phân tử l hơi n ớc. (Bên ngo i vùng nhiệt đới, h m l ợng hơi n ớc
th ờng không v ợt quá 2 %). Tại các độ cao lớn hơn, hơi n ớc thậm chí hiếm hơn,
th nh thử tỷ phần tổng cộng của hơi n ớc trong khối l ợng khí qun l rÊt nhá.
MỈc dï l mét bé phËn t ¬ng ®èi nhá cđa khÝ qun, h¬i n íc cùc kỳ quan
trọng. Hơi n ớc không chỉ l nguồn ẩm cần thiết để tạo mây, còn l chất hấp thụ
rất hiệu quả năng l ợng do bề mặt Trái Đất phát xạ. (Chúng ta sẽ mô tả năng
l ợng bức xạ ở ch ơng sau). Khả năng hấp thụ năng l ợng nhiệt của Trái Đất l m
cho hơi n íc trë th nh mét trong “c¸c chÊt khÝ nh kÝnh” m chóng ta sÏ b n ln ë
ch ¬ng 3.
Điều cực kỳ quan trọng l phải nhớ rằng hơi n ớc không giống nh những giọt



15


nhá li ti cđa n íc láng. H¬i n íc tồn tại nh những phân tử chất khí riêng lẻ. Khác
với những phân tử của các chất lỏng v chất rắn, các phân tử hơi n ớc không liên
kết với nhau. D ới góc độ đó hơi n ớc t ¬ng tù nh N2, O2 v c¸c chÊt khÝ khÝ quyển
khác. Tuy nhiên, không giống nh những chất khí khác, hơi n ớc sẵn s ng thay đổi
pha th nh các dạng lỏng v rắn cả tại bề mặt Trái Đất lẫn trong khí quyển.
Mặc dù hơi n ớc l mét chÊt khÝ trong st, nhiỊu hƯ thèng vƯ tinh có thể phát
hiện l ợng hơi n ớc trong không khí v hiển thị h m l ợng hơi n ớc biến thiên trên
ảnh (hình 1.3). Những bức ảnh đó th ờng cho thấy những biến đổi lớn trên các

khoảng cách rất ngắn, thậm chí lớn hơn so với các chất khí biến đổi khác. Những
hiển thị ảnh về h m l ợng hơi n ớc có thể rất giá trị đối với các nh dự báo, những
ng ời sử dụng ảnh để xác định các sơ đồ gió quy mô lớn trong khí quyển tầng trung
v tầng cao. Những bức ảnh còn giúp các nh khí t ợng phân biệt biên giới giữa
những khối không khí kế cận.

(a)

(b)

Hình 1.3. Cặp ảnh vệ tinh dựa trên một hệ thống phát hiện hơi n ớc (a) v
giải đoán đỉnh mây (b). L u ý rằng mặc dù hai sơ đồ có vẻ t ơng tự, song
ảnh hơi n ớc chỉ ra một phân bố ẩm rộng hơn so với ảnh chỉ ra mây thực tế

Khí cacbonic. Một chất khí biến đổi quan trọng nữa l điôxit cacbon, CO2.
Chúng ta không cảm nhận vật lý đ ợc những biến đổi l ợng cacbonic trong khÝ
qun nh víi h¬i n íc, nh ng nh các bạn sẽ sắp thấy sau đây, những biến đổi đó
không thể bỏ qua. Tăng l ợng cacbonic của khí quyển có thể có những hệ quả khí
hậu quan trọng tác động to lớn tới xà hội lo i ng êi.
KhÝ cacbonic hiÖn nay l m th nh 0,037 % khÝ qun. Khi mét chÊt khÝ chiÕm tØ
phÇn nhá nh vËy trong khÝ qun, chóng ta th êng biĨu diễn h m l ợng của nó
bằng phần triệu thay vì phần trăm. Vậy, nồng độ CO2 khí quyển hiện tại bằng
khoảng 370 phần triệu. Nó đ ợc cung cấp cho khí quyển qua sự hô hấp của thực
động vật, sự phân hủy vật chất hữu cơ, phun tr o núi lửa, sự cháy tự nhiên v
nhân sinh (do con ng êi). Cacbonic bÞ mÊt khái khÝ qun qua quang hợp, quá
trình cây xanh chuyển hóa năng l ợng ánh sáng th nh năng l ợng hóa học. Quang
hợp sử dụng ánh sáng Mặt Trời để chuyển hóa n ớc do rễ cây hấp thụ v cacbonic
từ không khí th nh những hợp chất hóa học nh cacbohyđrat vừa hỗ trợ các quá
trình thực vật, vừa nuôi sống thế giới động vật. Trong các quá trình n y, những
16

phân tử ôxy đ ợc giải phóng v o khí quyển nh sản phẩm phụ (hÃy xem chuyên
mục 1-1: Tiêu điểm môi tr ờng: Quang hợp, hô hấp v cacbonic).
Trong những thập niên gần đây, tốc độ gia nhập cacbonic v o khí quyển v ợt
trội tốc độ mất, dẫn tới sự gia tăng to n cầu về nồng độ. Hình 1.4 vẽ đồ thị h m
l ợng cacbonic theo số liệu của Đ i quan trắc Mauna Loa. (Lấy ở độ cao 3400 m
trên quần đảo Hawaii, số liệu quan trắc của Mauna Loa đ ợc xem l đại diện cho
Bắc bán cầu). Từ những năm 1950, nồng độ CO2 đà tăng với tốc độ khoảng 1,8 phần
triệu một năm. Quá trình tăng diễn ra chủ yếu do tăng đốt nhiên liệu nhân sinh v
ở mức độ ít hơn - sự t n phá những dải rừng rộng lớn (hình 1.5). Quá trình tăng đÃ
gây chú ý của các nh khoa häc v d luËn, bëi v× CO2 (gièng nh hơi n ớc) hấp thụ
rất hiệu quả bức xạ phát ra từ bề mặt Trái Đất. Tăng CO2 dự tính tới năm 2100 sẽ
gấp đôi mức cacbonic hiện tại v cã thĨ dÉn tíi hiƯn t ỵng líp khÝ quyển phía d ới
nóng lên.

Hình 1.4. H m l ợng CO2 khí quyển tăng ổn định trong nửa thế kỷ gần đây do hoạt động nhân
sinh. Số liệu từ Đ i quan trắc Mauna Loa. Dấu chấm chỉ các giá trị trung bình tháng v thể hiện chu kỳ
mùa tăng v giảm thực vật. Đ ờng l trơn ứng với các giá trị trung bình năm thể hiện xu thế d i h¹n



17


Hình 1.5. Đốt rừng m a ở Guatemala. Sự phá rừng bởi con ng ời góp phần l m tăng
CO2 trong khí quyển, vì quá trình n y l m giảm l ợng thực vật có khả năng quang hợp

Hình 1.4 không chỉ biểu diễn sự tăng lên tổng thể của mức CO2 ở Bắc bán cầu,
m còn cho thấy những dao động mùa. Cụ thể, l ợng cacbonic trong khí quyển l
cao nhất v o đầu mùa xuân v thấp nhất v o cuối mùa hè. Cực đại mùa xuân xảy
ra vì trong mùa đông thực vật phát triển chậm, cây sử dụng ít CO2 từ không khí.
Ngo i ra, lá cây rụng phân hủy suốt mùa đông, l m cho cacbon trong lá cây bị ôxy
hóa th nh CO2 v nhËp v o kh«ng khÝ. Trong thêi kú phát triển mùa hè, cacbon bị
lấy ra khỏi khí quyển v do đó mức cacbonic giảm.
Với mỗi phân tử CO2 bị lấy ra khỏi khí quyển bởi sự quang hợp, thì một phân
tử O2 đ ợc sinh ra. Tuy nhiên, O2 khí quyển không biểu hiện biến thiên mùa, bởi vì
phần đóng góp quang hợp l rất nhỏ so với bÇu O2 khÝ qun khỉng lå. CO2 cã thêi
gian l u lại bằng khoảng 150 năm.

1-1 Tiêu điểm môi tr ờng: Quang hợp, hô
hấp v cacbonic
Nếu nh không có quá trình quang
hợp, Trái Đất có thể đà có một bầu khÝ
qun ho n to n kh¸c - v cã lÏ l không
có sự sống nh chúng ta đang thấy.
Thông qua quang hợp, thực vật sử dụng
năng l ợng ánh sáng từ Mặt Trời để sản
xuất thức ăn. Vì nó đòi hỏi ánh sáng Mặt
Trời, sự quang hợp chỉ diễn ra trong thời
gian ban ng y. Nó còn đòi hỏi chất diệp
lục, một hợp chất hữu cơ có trong cây lá
xanh v một số cơ thể đơn b o. Quang
hợp chuyển hóa năng l ợng Mặt Trời,
n ớc v
cacbonic th nh các chất
cacbohyđrat đơn. Những chất n y sau đó
chuyển hóa th nh các chất cabohyđrat

phức tạp, tinh bột v đạm, tất cả các chất
đó cung cấp cho thực vật nguyên liệu để
tự phát triển, còn thực vật về phần mình
cung cấp những chất dinh d ỡng cơ bản
cho các động vật ăn cỏ.
Ngo i sự quang hợp, một quá trình
trao đổi các chất khí quan trọng nữa diễn
ra thông qua lá cây - đó l hô hấp. Hô
hấp cung cấp một cơ chế nhờ đó thực vật
nhận ôxy m chúng cần để thực hiện các
quá trình đồng hóa. (Đối với động vật, hô
hấp đồng nghĩa với sự thở. Mặc dù thực
vật không có phổi, chúng lấy ôxy qua lá).

18

Khác với quang hợp, hô hấp diễn ra trong
thời gian cả ban ng y v ban đêm. Một cá
thể thực vật phải cố định lấy cacbon v o
các tế b o của mình để lớn lên; để nhận
l ợng cacbon đó, tốc độ quang hợp trong
thực vật phải v ợt trội tốc độ hô hấp.
Nh vậy, trong suốt các thời kỳ phát
triển thực vật, l ợng cacbonic bị lấy ra
khỏi không khí nhiều hơn so với l ợng
đ ợc bổ sung nhờ hô hấp. Tuy nhiên, sau
khi chết, thực vật không lấy CO2 từ
không khí nữa. Ng ợc lại, l ợng cacbon
tích lũy của nó bị ôxy hóa v giải phóng
trở lại v o khÝ qun d íi d¹ng CO2 khi

thùc vËt bị phân hủy. Nếu không diễn ra
những biến đổi cơ bản về số l ợng v sự
phân bố cây xanh, thì l ợng tiêu thụ CO2
(cho quang hợp) cân bằng với l ợng sản
xuất ra CO2 (từ hô hấp v phân hủy)
trong vòng một năm v tổng trữ l ợng
CO2 khí quyển không bị ảnh h ởng bởi sự
phát triển của thực vật.
Tuy nhiên, có một nhân tố khác điều
khiển sự cân bằng CO2. Trong một số
tình huống, vật liệu thực vật chết bị
nhanh chóng chôn vùi bên d ới bề mặt,
không phân hủy v do đó không giải
phóng cacbon m nó tích lũy trở lại khí
quyển. Thay vì nh vậy, trải qua h ng
triệu năm, vật liệu đ ợc chuyển hóa
th nh nhiên liệu hóa thạch nh dầu mỏ
hoặc than đá, rồi chúng ta lấy ra từ lòng
đất v đem đốt cháy để thu nhiệt l ợng
v năng l ợng, tạo ra CO2 nh một sản
phẩm đốt cháy. Trong khi l m nh vËy,




chúng ta giải phóng l ợng cacbon m lẽ
ra sẽ bị giữ lại d ới đất vĩnh viễn. Mặc dù
chúng ta nãi vỊ “bỉ sung” cho khÝ qun,
nh ng cã lẽ chính xác hơn phải nghĩ l
trả lại cacbon về với khí quyển. Dù sao

thì kết quả chắc chắn sẽ l tăng CO2 khí
quyển với những hệ quả to n cầu tiềm
năng.
Nhận thức đ ợc vai trò của phụ
phẩm của nhiên liệu hóa thạch đối với sự
cân bằng cacbon của khí quyển, 160 quốc
gia trên thế giới đà đà họp mặt ở Tokyo,
Nhật Bản năm 1997 để chính thức thỏa
thuận về một kế hoạch giảm phát thải
CO2. Ng y 11 tháng 12 họ đồng ý xác lập
giảm l ợng mục tiêu đối với các n ớc công
nghiệp. Theo kế hoạch n y, về trung bình
trong thời kỳ 5 năm từ 2008 đến 2012
phần lớn các n ớc phát triển sẽ tiết giảm
phát thải CO2 từ 6 đến 8 % của các giá trị

năm 1990. Để có sự r ng buộc pháp lý, kế
hoạch không những phải đ ợc ký kết bởi
các đại diện của những n ớc tham dự, m
còn phải đ ợc phê chuẩn chính thức bởi
các chính phủ của họ. Tháng 3 năm 2002
Liên minh châu Âu chính thức phê chuẩn
hiệp định v nhiều quốc gia khác kỳ vọng
noi theo v o cuối năm đó. Tuy nhiên, sự
phê chuẩn bởi Mỹ v Canađa mÃi tới sau
tháng 4 năm 2002 mới đ ợc đảm bảo. ở
Mỹ, tổng thống Bush đà quyết định hoÃn
đệ trình hiệp định lên Hạ viện phê chuẩn
cho tới khi các n ớc kém phát triển của
thế giới đồng ý chấp nhận giảm thải CO2.

Giống nh vậy, chính phủ Canađa đang
cố gắng để nhận đ ợc những nh ợng bộ
nhằm giúp họ có thể đáp ứng mục tiêu
của họ v thủ t ớng Chrestien nói rằng
ông muốn đề xuất đ ợc phê chuẩn một
ng y n o đó.

Ôzôn. Dạng ôxy trong đó ba nguyên tử O liên kết với nhau để tạo th nh một
phân tử đơn gọi l ôzôn, O3. Chất n y có phần n o đó rất kỳ lạ. Một l ợng nhỏ chất
n y tồn tại trong lớp khí quyển bên trên lại rất quan trọng đối với sự sống trên Trái
Đất; nh ng ở gần bề mặt Trái Đất nó l một hợp phần chính của ô nhiễm không
khí, gây viêm phổi v mắt v gây tổn hại thực vật. May thay, ôzôn chỉ xuất hiện với
những l ợng ít ỏi ë trong líp khÝ qun thÊp, th nh thư thËm chí trong không khí
đô thị ô nhiễm nặng, nồng độ của nó cũng chỉ khoảng 0,15 phần triệu (nghĩa l
trong sè 100 triƯu ph©n tư míi cã 15 ph©n tư ôzôn). Ng ợc lại, tại những độ cao 25
km, nồng độ ôzôn có thể bằng 50 đến 100 lần cao hơn (tới 15 phần triệu).
Ôzôn ở trong bộ phận của lớp khí quyển bên trên, gọi l bình l u quyển, vô
cùng quan trọng đối với sự sống Trái Đất, bởi vì nó hấp thụ bức xạ cực tím nguy
hiểm từ Mặt Trời. Tại sao ôzôn thấy nhiều hơn trong bình l u quyển chứ không
phải tại bề mặt Trái Đất? Câu trả lời rất phức tạp, vì có h ng trăm phản ứng hóa
học điều chỉnh số l ợng ôzôn. Để đơn giản, có thể nói rằng ôzôn hình th nh khi ôxy
nguyên tử (O) va chạm với ôxy phân tử (O2). Ôxy nguyên tử sinh ra ở các tầng rất
cao của khí quyển, nh ng rất ít ôzôn hình th nh, bởi vì mật độ không khí thấp tại
những độ cao đó. ở gần bề mặt Trái Đất hơn (nh ng vẫn còn cao trong khí quyển)
cơ hội cho các nguyên tử O va chạm với O2 cao hơn, do đó giá trị ôzôn cao nhất đ ợc
thấy ở đây. Khi ôzôn hấp thụ bức xạ cực tím, nó phân tách th nh các hợp phần (O +
O2) v những hợp phần n y lại kết hợp để hình th nh phân tử ôzôn khác. Thông
qua những phản ứng đó, ôzôn liên tục bị phân hủy v tái tạo để có đ ợc nồng độ
không đổi t ơng đối trong tầng ôzôn (xem chuyên mục 1-2 Tiêu điểm môi tr ờng:
Sự phá hủy tầng ôzôn).

19


th ởng một giải Nobel cho công trình của
họ v o năm 1995.

1-2 Tiêu điểm môi tr ờng: Sự phá hủy tầng
ôzôn
Năm 1972, các nh hóa học khí
quyển Sherwood Rowland v
Mario
Molina, khi đó l m việc tại Đại học
California tại Irvine, cho rằng một số hóa
chất nhân tạo đ ợc gọi l các chất chlorofluorocacbon (CFC), có thể bị mang tự
nhiên lên bình l u quyển v phá hủy
tầng ôzôn. CFC đ ợc dùng rộng rÃi trong
l m lạnh v điều hòa không khí, trong
sản xuất hạt chất dẻo v l m chất hòa
tan trong công nghiệp điện tử. Mặc dù
ng y nay bị cấm dùng ở Mỹ v Canađa
l m những chất bay hơi trong các bình
chứa son khí, nh ng chúng vẫn đ ợc
ng ời ta sử dụng với chức năng nh vậy ở
đâu đó.
Biết rằng CFC không dễ phản ứng
với những phân tử khác trong khí quyển
thấp, Rowland v Molina cho rằng những

phân tử n y có thể đạt tới bình l u quyển
một cách nguyên vẹn, nơi đây chúng bị
phân rà v giải phóng các nguyên tử clo
(Cl) tự do. Trong những ho n cảnh nhất
định, các nguyên tử clo có thể phá hủy
những phân tử ôzôn một cách hữu hiệu.
Trong giai đoạn thứ nhất của quá trình
n y, một nguyên tử clo phản ứng với một
phân tử ôzôn để tạo ra O2 v đơn ôxit clo
(ClO). Sau đó, một nguyên tử ôxy (O)
phản ứng với ClO, tạo ra một phân tử O2
khác, đồng thời giải phãng nguyªn tư clo
(Cl). L u ý r ng nguyªn tử clo lúc đầu
phản ứng với phân tử ôzôn vẫn còn hiện
diện v có khả năng phản ứng một lần
nữa với một phân tử ôzôn khác. Thực tế
rằng các nguyên tử clo không bị tiêu thụ
trong các quá trình n y l m cho chúng có
thể lại phá hủy các phân tử ôzôn lặp đi
lặp lại. Thật vậy, mỗi phân tử clo có mặt
có thể loại bỏ tới khoảng 100 000 phân tử
ôzôn khỏi khí quyển. Lý thuyết của
Rowland v Molina hiện đ ợc chấp nhận
l đúng v hai nh khoa học đà đ ợc tặng

20

Hình 1. Loạt ảnh vệ tinh cho thấy sự suy
giảm ôzôn bình l u quyển trên Nam Cực

Sự phá hủy ôzôn nặng nề nhất xuất
hiện v o mỗi tháng 10 (mùa xuân ở Nam
bán cầu) v kéo d i một số tháng. Vì sao
lỗ thủng ôzôn thấy ở phía trên vòng Nam
cực trong mùa xuân? Câu trả lời khá
phức tạp, nh ng ở đây có thể nêu ra
nhiều nhân tố. Tr ớc hết, các dòng không
khí bao quanh châu Nam Cực l m cô lập
khu vực n y với phần còn lại của bán cầu,
th nh thử nơi đây quá trình xáo trộn xảy
ra yếu với không khí giầu ôzôn từ phía
bắc. Nhân tố nữa l tính chất hóa học
khác th ờng của mây tìm thấy ở bình l u
quyển Nam Cực. Tại nhiệt độ rất thấp
nơi đây, mây th ờng tạo th nh từ axit
nitơric v n ớc hơn l băng n ớc bình
th ờng. Các quá trình th nh tạo những
mây n y cho phép một số hợp phần clo
tích lũy. Khi mùa đông Nam Cực ảm đạm
kết thúc, luồng bức xạ cực tím phân tách
các hợp phần đó để tạo ra những nguyên
tử clo tự do (Cl). Các gốc Cl tự do n y sẵn
s ng phá hủy ôzôn nh đà mô tả ở trên.
Một phát hiện mới đây cho thấy rằng sự
phá hủy bắt đầu ở rìa của châu Nam Cực,
nơi ánh sáng Mặt Trời xuất hiện tr ớc
tiên, rồi tiến dần về phía cực. Vậy sự phá
hủy bắt đầu v o tháng 6 tại 65oS đến cuối
tháng 8 tại 75oS. Chúng ta muốn nhấn
mạnh rằng thông th ờng thì clo không

phải l có nhiều ở bình l u quyển Nam
Cực. VËy lo¹i clo n o tån t¹i d íi d¹ng có
khả năng phá hủy ôzôn l do những điều
kiện duy nhất diễn ra trong thời kỳ mùa
xuân quyết định (xem h×nh 1).




Sự phá hủy ôzôn bình l u quyển
đáng kể cũng phát hiện thấy ở bên trên
nhiều nơi thuộc châu Âu v Bắc Mỹ, kể
cả một lỗ thủng ít biết tới hơn ở Bắc Cực.
Không ai biết ôzôn sẽ tiếp tục giảm đến
khi n o, hay nó có thể trở nên bị suy
thoái nh thế n o, nh ng v o tháng 11
năm 1999, dữ liệu từ vệ tinh v trên đất
phát hiện các mức ôzôn thấp dị th ờng
bên trên vùng tây bắc châu Âu. Các giá
trị ôzôn bình l u quyển thấp hơn chuẩn
30 % đối với thời gian đó của năm, dẫn tới
những mức gần thấp nh thông th ờng
quan trắc thấy bên trên Nam Cực.
Chính phủ v doanh nghiệp t nhân
đà có h nh động nhằm giảm thiểu l ợng
CFC phát thải v o khí quyển. Theo Nghị
định th Montreal năm 1987 v những
hội nghị sau đó, các n ớc phát triển của

thế giới đà cắt giảm sản xuất CFC v các

quốc gia đang phát triển có lộ trình thực
hiện điều t ơng tự đến năm 2006. CFC có
thời gian sống trong khí quyển khoảng
100 năm, nên sự giảm tức thời lỗ thủng
ôzôn sẽ không xảy ra. Tuy nhiên, đà có
những tiến bộ quan trọng; từ năm 1997
l ợng clo trong bình l u quyển đà có suy
giảm v kích th ớc của lỗ thủng ôzôn tỏ
ra ổn định. Một nghiên cứu mới đây dự
báo rằng nếu ho n to n tuân thủ Nghị
định th Montreal, thì sự suy giảm kích
th ớc của lỗ thủng ôzôn thực tế có thể trở
nên phát hiện đ ợc v o khoảng giữa năm
2015 v 2045. Nh vậy, việc ngăn chặn
phát thải CFC đà chứng minh khoa học
chân chính liên kết với sự hợp tác quốc tế
có sức mạnh nh thế n o, có thể có những
ảnh h ởng cơ bản tới sự nghiệp bảo vệ
môi tr ờng.

Mêtan. Chất khí biến đổi quan trọng khác l mêtan, CH4. Nồng độ khí quyển
của chất khí n y đà tăng lên khoảng 0,01 phần triệu một năm trong v i thập niên
gần đây v mức hiện tại của nó l 1,7 phần triệu (hình 1.6). Mặc dù nguyên nhân
sự tăng ch a ho n to n râ, chóng ta biÕt r»ng ® n gia súc giải phóng những l ợng
chính CH4 thông qua các quá trình tiêu hóa thức ăn. Mêtan còn phát thải từ các mỏ
than, giếng dầu v ống dẫn khí v l phơ phÈm cđa canh t¸c lóa. Thêi gian l u lại
của mêtan khoảng 10 năm.

Hình 1.6. Khí mêtan trong khí quyển đang tăng lên trong những thập niên gần đây.
Đ ờng l trơn chỉ xu thế d i hạn, còn đ ờng biến thiên mạnh chỉ các giá trÞ thùc

21


Mặc dù nồng độ thấp của nó trong khí quyển, mêtan l chất hấp thụ rất hiệu
quả đối với bức xạ nhiệt từ bề mặt Trái Đất. Do đó, sự gia tăng mức mêtan khí
quyển có thể đóng vai trò trong sự nóng lên của khí quyển.
Son khí. Những hạt rắn nhỏ v những giọt chất lỏng trong không khí (gồm các
giọt mây v giáng thủy) đ ợc gọi chung l son khÝ. MỈc dï chóng ta gép chung
chóng víi các khí đô thị ô nhiễm, các son khí đ ợc hình th nh bởi cả những quá
trình nhân sinh lẫn tự nhiên. Vì vậy, chúng luôn có mặt, thậm chí ở những vùng xa
hoạt động của con ng ời. Chúng th ờng có mặt với nồng độ khoảng 10 000 hạt
trong một cm3 bên trên bề mặt đất. Để t ëng t ỵng cã nhiỊu son khÝ nh thÕ n o
trong không khí, ta xem về trung bình một ng ời hít khoảng 1000 cm3 (1 lít) không
khí mỗi lần thở. Kết quả l mỗi ng ời trong chúng ta hít khoảng 1 nghìn tỉ son khí
v o phổi mình v i lần trong một phút hay khoảng hai thìa chất rắn mỗi ng y.
Hạt nhỏ nhất trong số các hạt son khí có bán kính cỡ 0,1 m (một phần triệu
mét) v đ ợc biết chủ yếu l do sù chun hãa hãa häc cđa c¸c khÝ sunphat th nh
các chất rắn v lỏng. Những hạt lớn hơn đ ợc đ a v o không khí trực tiÕp tõ bơi do
giã, phun tr o nói lưa, bơi biển v phẩm phụ sự cháy. Vì những hạt n y rất nhỏ,
phần lớn chúng rơi chậm, nên dễ d ng bị giữ lơ lửng trong khí quyển thậm chí bởi
những chuyến động thẳng đứng yếu ớt nhất. (Cơ chế hữu hiệu để loại bỏ các son khí
l chúng bị cn hót theo gi¸ng thđy). Son khÝ cã thêi gian sống điển hình từ một ít
ng y tới một số tuần.

Hình 1.7. BÃo bụi ở úc

Son khí có một số tác động rất quan trọng v đáng kể tới khí quyển. Khói đô

thị bao gồm các son khí l m giảm mạnh tầm nhìn, còn bÃo bụi có thể l m giảm tầm
nhìn tới gần bằng không khi nhiều bụi đất bị tróc khỏi bề mặt (hình 1.7). Son khí
còn đóng vai trò chính trong sự hình th nh các giọt mây, vì hầu nh tất cả các giọt
22




mây hình th nh trong tự nhiên đ ợc hình th nh trên các son khí lơ lửng gọi l các
nhân ng ng kết. Các nhân ng ng kết đ îc b n luËn chi tiÕt h¬n ë ch ¬ng 5 (xem
chuyên mục 1-3 Tiêu điểm môi tr ờng: Son khí v khí hậu).

lo i động vật (kể cả khủng long).

1-3 Tiêu điểm môi tr ờng: Son khí v khí hậu
Các hạt lơ lửng có thể l nguyên
nhân của những biến đổi khí hậu (trạng
thái d i hạn của khí quyển). Chúng có
thể dẫn tới những đợt nhiệt độ thấp hơn
do l m giảm l ợng ánh sáng Mặt Trời đi
v o khí quyển hoặc những đợt nhiệt độ
cao hơn thông qua sự hấp thụ nhiệt l ợng
do bề mặt Trái Đất phát xạ. Một số nh
khí hậu học đà nghiên cứu những đợt
tăng h m l ợng bụi của khí quyển sau
hoạt động núi lửa. Sự hạ thấp nhiệt độ
không khí bề mặt đà diễn ra sau một số
đợt phun núi lửa lớn, nh đợt tháng 6
năm 1991 từ núi lửa Pinatubo ở Phillipin
(hình 1). Những quan trắc liên tục do vệ

tinh Thí nghiệm Cán cân Bức xạ Trái §Êt
(ERBE) cđa NASA thùc hiƯn cho thÊy
r»ng nhiƯt ®é bỊ mặt trung bình của Bắc
bán cầu giảm khoảng 1 oC một năm sau
đợt phun núi lửa Pinatubo. Đợt giảm
nhiệt độ n y kéo d i đến mùa xuân năm
1993.
Trên một quy mô thời gian ho n
to n khác, một đợt tăng mạnh của các
hạt khí quyển có thể tiệt diệt các lo i
khủng long v o khoảng 65 triệu năm
tr ớc đây. Theo lý thuyết n y, một tiểu
h nh tinh lín víi ® êng kÝnh tíi 15 km
®· va chạm Trái Đất với sức công phá
t ơng đ ơng sự nổ của h ng triệu trái
bom nguyên tử. Do ảnh h ởng, những
l ợng bụi v n ớc khổng lồ đà thoát v o
khí quyển, l m cho ánh sáng Mặt Trời v
quang hợp suy giảm mạnh. Từ đó, tất cả
sự sống thực vật có thể đà bị hủy diệt v
l m mất nguồn thức ăn của đông đảo các

Mặc dù thuyết tiểu h nh tinh đ ợc
thừa nhận rộng rÃi nh l nguyên nhân
tiệt diệt khủng long, còn có một lý giải
đối ng ợc, đôi khi đ ợc gọi l giả thuyết
Pele (theo tên của vị thần núi lửa
Polynesian). Theo kịch bản n y, hoạt
động núi lửa mạnh mẽ trong khoảng thời
gian hơn 65 triệu năm tr ớc đà l m tăng

phát thải cacbonic v o khí quyển v thực
vật bề mặt phát triển rầm rộ. Khi hoạt
động núi lửa kết thúc, phần lớn thực vật
bị chết v vật liệu hữu cơ tại đáy các đại
d ơng bị phân rÃ. Sự phân hủy mạnh mẽ
l m giảm mức ôxy xuống d ới chuẩn đòi
hỏi của hệ thống hô hÊp cđa khđng long
v dÉn tíi sù tiƯt diƯt chóng.

H×nh 1. Phun tr o núi lửa Pinatubo tháng 61991 đ a nhiỊu vËt liƯu v o b×nh l u qun
l m cho nhiệt độ bên trên Bắc bán cầu hạ
thấp trong khoảng 2 năm



23


Cấu trúc thẳng đứng của khí quyển
Nh chúng ta đà thấy, khí quyển không có biên giới phía trên rõ r ng; không
khí chỉ trở th nh loÃng dần khi tăng độ cao. Chúng ta còn biết rằng th nh phần
của khí quyển giữ gần nh không đổi cho tới độ cao khoảng 80 km (50 dặm) - tức
trong phạm vi đồng nhất quyển. Mặc dù mật độ biến đổi tõ tõ nh vËy v th nh
phÇn hãa häc gÇn nh không đổi theo độ cao, nh ng các nh khÝ t ỵng häc vÉn thÊy
tiƯn Ých nÕu khi chia khí quyển theo ph ơng thẳng đứng th nh một số tầng. Một số
tầng khác biệt bởi những tính chất ®iƯn häc, mét sè tÇng - bëi th nh phÇn hãa häc
(®ã l ®ång nhÊt qun v ®a qun ®· xét tr ớc đây) v một số tầng - bởi những
đặc tr ng nhiệt độ. Cùng với sự biến đổi mật độ theo độ cao, sự phân lớp khí quyển
nh thế tạo nên cấu trúc của nó. Trong mục n y, chúng ta xét mật độ biến thiên
của khí quyển, sau đó xét những biến thiên nhiệt độ v cuối cùng l những tính

chất điện của một tầng gọi l iôn quyển (hay tầng iôn).
Mật độ
Mật độ của một chất n o đó l l ợng khối l ợng của chất (biểu diễn bằng kg)
chứa trong một đơn vị thể tích (1 m3). Trong các chất khí, những phân tử riêng lẻ
không gắn bó với nhau v chuyển động ngẫu nhiên. Một đặc điểm của các chất khí
l không có một giới hạn nhất định về l ợng khối l ợng có thể tồn tại trong một thể
tích đang xét - các phân tử có thể luôn luôn đ ợc thêm v o hoặc đi ra khỏi thể tích,
dẫn tới biến đổi mật độ. Nói cách khác, thể tích chứa một khối l ợng cố định chất
khí có thể giảm (nh trong một cái bơm xe đạp khi pit tông di chun v o trong v
nÐn kh«ng khÝ), dÉn tíi tăng mật độ khi khối l ợng không đổi bị nén v o một thể
tích dần dần nhỏ hơn.

Hình 1.8. Vì bị nén, khí quyển đậm đặc hơn ở
gần đáy của nó v loÃng dần với độ cao

Do đó, giống nh hỗn hợp các khí bất kỳ khác, khí quyển có tính nén đ ợc. Khi
chúng ta cảm nhận trọng l ợng của cái gì đó, chúng ta đang bị tác động của lực
trọng tr ờng h ớng xuống d ới do khối l ợng nằm bên trên tác động. Tại các độ cao
nhỏ, có khối l ợng khí quyển nằm ở phía trên lớn hơn so với tr ờng hợp ở cao hơn.
Vì không khí có thể nén đ ợc v bị sức nén lớn hơn tại các mực thấp hơn, nên mật
độ không khí tại các mực thấp lớn hơn so với tr ờng hợp ng ợc lại. H×nh 1.8 minh
24




họa nguyên lý n y. Mặc dù đơn giản, khái niệm n y l chìa khóa để hiểu những
khái niệm sẽ đ ợc giới thiệu sau n y.
Mật độ không khí giảm dần theo độ cao. Tại mực n ớc biển, mật độ không khí
th ờng bằng khoảng 1,2 kg/m3. Nếu so sánh, tại Denver, Colorado, th nh phố cao

1 dặm, mật độ không khí chỉ bằng khoảng 85 % của giá trị trên. Kết quả l , những
trái bóng đ ợc đá đi v quả cầu đ ợc phát lên chịu một sự giảm t ơng ứng về sức
cản không khí v đi đ ợc xa hơn so với khi chúng ở mực n ớc biển.
Một cách để hiểu về mật độ l quan niệm về khoảng cách trung bình một phân
tử di chuyển đ ợc tr ớc khi va chạm với phân tử khác, gọi l quÃng đ ờng tự do
trung bình. Gần bề mặt Trái Đất, quÃng đ ờng tự do trung bình không lớn hơn
0,0001 mm. Ng ợc lại, tại 150 km bên trên mực n ớc biển, một phân tử di chuyển
khoảng 10 m tr ớc khi va chạm với phân tử khác; tại 250 km một phân tử có lẽ di
chuyển đủ 1 km tr ớc khi gặp một phân tử khác.
Phân lớp dựa trên các trắc diện nhiệt độ
Các chuyển động thẳng đứng trong khí quyển th ờng chậm v bị giới hạn về
khoảng cách, bởi vì tính chất mỏng của khí quyển. Tuy nhiên, những chuyển động
nh thế có ảnh h ởng lớn tới t ơng lai phát triển mây, giáng thủy v hoạt động
sấm sét. Không khí với nhiệt độ giảm nhanh theo độ cao dễ di chuyển thẳng đứng,
trong khi không khí với nhiệt độ giảm chậm hoặc tăng theo độ cao cản trở chuyển
động đó. Vì vậy, các nh khoa häc ph©n chia khÝ qun th nh bèn líp không phải
dựa trên th nh phần hóa học (nó gần nh không đổi t ơng đối trong phần lớn khí
quyển) m căn cứ v o nhiệt độ trung bình biến ®ỉi theo ®é cao nh thÕ n o. Tr¾c
diƯn nhiƯt độ trung bình đ ợc biểu diễn trên hình 1.9, gäi l khÝ qun tiªu
chn, cho thÊy cã bèn líp: ®èi l u qun, b×nh l u qun, trung qun v nhiệt
quyển.
Đối l u quyển. Trừ khi bạn có dịp bay trong một máy bay phản lực quân sự
hoặc một máy bay dân dụng siêu âm, bạn đang sống cả cuộc đời mình trong đối l u
quyển, lớp thấp nhất trong bốn lớp nhiệt độ. Tên gọi n y xuất phát từ một từ Hy
Lạp tropos (đảo ng ợc) v có nghĩa sự đảo lộn không khí do xáo trộn thẳng đứng
v đặc điểm rối của lớp. Đối l u quyển l nơi phần lớn những sự kiện thời tiết xảy
ra v đ ợc nhận biết bằng một sơ đồ chung, trong đó nhiệt độ giảm theo độ cao.
Mặc dù l líp máng nhÊt trong bèn líp cđa khÝ qun, ®èi l u qun chøa 80 %
khèi l ỵng cđa nó. Dĩ nhiên, điều n y l do không khí nén đ ợc.
Độ d y của đối l u quyển thay đổi một cách đáng kể, từ 8 đến 16 km v trung

bình khoảng 11 km. Độ cao nơi đối l u qun kÕt thóc phơ thc nhiỊu v o nhiệt
độ trung bình của nó, độ cao lớn nhất nơi nhiệt độ cao v nhỏ nhất ở những vùng
lạnh. Vì vậy, đối l u quyển d y hơn ở các vùng nhiệt đới, mỏng hơn ở các vùng cực
v d y hơn trong mùa hè, mỏng hơn trong mùa đông.
Nhiệt độ biến đổi mạnh từ đáy tới đỉnh đối l u quyển. Nhiệt độ to n cầu trung
bình bằng khoảng 15 oC ở gần mặt đất, nh ng chỉ bằng khoảng -57 oC tại đỉnh của
đối l u quyển, độ giảm trung bình bằng khoảng 6,5 oC/km. Nh vậy bạn cã thÓ thÊy



25