Thủy văn học - Chương 6

Chương 6. Các đặc điểm của khí quyển trái đất.
CHƯƠNG 6.
CÁC ĐẶC ĐIỂM CỦA KHÍ QUYỂN TRÁI
ĐẤT.
6.1.Thành phần khí quyển Trái Đất.
Khí quyển tạo thành từ hỗn hợp của nhiều chất khí khác nhau. Cấu tạo thành phần
khí quyển gần mặt đất và thành phần khí quyển trên cao là khác nhau.
6.1.1. Thành phần khí quyển gần mặt đất.
Theo thể tích, thành phần khí quyển gần mặt đất bao gồm nitơ (78,09%), ôxy
(20,95%), ocgon (0,93%). Còn lại là một lượng không đáng kể khí CO
2
, neôn, heli,
hydro, metan, ozon, hơi nước và các tạp chất lơ lửng khác. Không khí không chứa hơi
nước và tạp chất gọi là không khí sạch và khô. Các nghiên cứu cho thấy thành phần hoá
học của không khí tương đối ổn định đến độ cao 90 - 100km. Đồng thời khối lượng phân
tử của không khí cũng gần như không đổi trong lớp khí này, vì thế lớp khí này được gọi
là khí đồng nhất. Sự ổn định của thành phần khí quyể
n trong lớp khí đồng nhất được giải
thích nhờ sự trao đổi thẳng đứng và nằm ngang của không khí ở trong lớp đó.
Xét một số dạng khí đặc biệt trong tầng thấp của khí quyển;
-Hơi nước: vào khí quyển do sự bốc hơi từ nước mặt, đất ẩm và lớp phủ thực vật.
Hơi nước đóng vai trò quan trọng trong khí quyển: ngưng kết, đóng b
ăng tạo ra mây,
mưa và các dạng nước rơi; hấp thụ bức xạ sóng dài của Trái Đất ảnh hưởng đến chế độ
nhiệt…
-Khí CO
2
: vào khí quyển từ đám cháy, sự phân huỷ của sinh vật, sự thở ra của động
vật. Lượng CO
2
tăng dẫn đến sự tăng lên của nhiệt độ không khí gần mặt đất.

-Khí Ozon: ở tầng thấp, ozon sinh ra từ các loại chớp giông. Ở tầng cao, ozon sinh
ra trong kết quả của sự tương tác tia tử ngoại mặt trời với oxy. Ozon có vai trò quan trọng
là hấp thụ bức xạ tử ngoại mặt trời. Khí ozon có thể hấp thụ 4% năng lượng tia của mặt
trời, làm tăng nhi
ệt độ không khí ở độ cao 20 - 50km.
6.1.2. Thành phần khí quyển trên cao.
Từ độ cao 90-100km trở lên, thành phần khí quyển thay đổi mạnh. Trên 100km
quan sát thấy có oxy đơn nguyên tử, trên 300 km thì một phần nitơ bị phân rã. Ở độ cao
trên 1000km thành phần khí quyển chủ yếu là hêli và hydro.
6.2. Cấu trúc khí quyển.
6.2.1. Độ cao và khối lượng khí quyển.
Dưới tác dụng của lực hút Trái Đất, mật độ không khí lớn nhất ở lớp gần mặt đất.
Khi độ cao tăng lên, mật độ giảm xuống, dần dần mật độ không khí tiến đến gần mật độ
của không gian vũ trụ. Ngày nay, tạm thời công nhận giới hạn vật lý trên cùng của khí
quyển Trái Đất nằm ở độ cao 2000km.
Khối lượng tổng cộng c
ủa khí quyển bằng 5,16 x 10
21
g; gần 50% khối lượng này
nằm trong lớp sát mặt đất có chiều dày 5km; 75% nằm trong lớp dày đến 10km; 90%
trong lớp dày đến 16km.
6.2.2. Phân chia khí quyển thành các tầng.
6-1
Chương 6. Các đặc điểm của khí quyển trái đất.
Có thể phân chia khí quyển theo một loạt các lớp cầu đồng tâm. Sự phân chia đó
thực hiện theo các nguyên tắc khác nhau.
Theo đặc trưng của sự thay đổi nhiệt độ với độ cao và theo chế độ nhiệt bên trong
mỗi lớp thì khí quyển được chia thành 5 tầng (lớp cầu) như bảng 6.1. Giữa các tầng đó là
lớp chuyển tiếp).
Bảng 6.1. Phân chia khí quyển theo độ cao và chế độ nhiệt

Các tầng (lớp cầu) Độ cao trung bình (km) Các lớp chuyển tiếp
Tầng đối lưu 0 - 11 Lớp đối lưu hạn
Tầng bình lưu 11 - 50 Lớp bình lưu hạn
Tầng trung gian 50 - 80 Lớp mezo hạn
Tầng nhiệt 80 - 800 Lớp termo hạn
Tầng khí quyển ngoài 800 - 2000
Tầng đối lưu: đặc điểm nổi bật của tầng này là nhiệt độ hạ theo độ cao, trung bình
hạ từ 6-7
0
trên 1 km độ cao. Trong tầng đối lưu có hơi nước, mây, mưa, tuyết, sương
mù…; càng lên cao cường độ gió càng tăng, đạt giá trị cực đại ở gần giới hạn trên. Áp
suất không khí giảm mạnh theo độ cao, ở độ cao 5km áp suất còn lại 1/2, ở độ cao 10km
là 1/4 so với mặt đất.
Độ cao của giới hạn trên tầng đối lưu không ổn định, phụ thuộc vào các mùa trong
năm và đặc tính của các quá trình khí quyển.
Tầng bình lưu: là tầng nằm sát trên tầng đối lưu.
-Giữa tầng đối lưu và tầng bình lưu là lớp đối lưu hạn dày từ 1-2km, trong lớp này
nhiệt độ ngừng hạ theo độ cao.
-Đặc điểm của tầng bình lưu là sự ổn định nhiệt độ theo độ cao ở phần dưới và tăng
dần theo độ cao bắt đầu từ km 25 cho đến giới hạ
n trên. Ở giới hạn trên của tầng bình lưu
nhiệt độ tăng đến 0
0
C, có thể đến +10
0
C thậm chí +30
0
C, nguyên nhân là do tính hấp thụ
lớn của lớp ozôn ở tầng này. Trong tầng bình lưu rất hiếm hơi nước và hầu như không có
mây.

Tầng trung gian: là tầng nằm sát trên tầng bình lưu.
-Giữa tầng trung gian và tầng bình lưu là lớp bình lưu hạn.
-Trong tầng trung gian nhiệt độ hạ theo độ cao, tại giới hạn trên của tầng này nhiệt
độ xuống tới -70, -80
0
C. Trong tầng trung gian mật độ không khí không đáng kể, áp suất
không khí nhỏ hơn khoảng 200 lần so với áp suất trên mặt đất, tốc độ gió đạt vài trăm
km/giờ.
Tầng nhiệt: đặc trưng của tầng này là sự tăng lên của nhiệt độ theo độ cao, do sự
hấp thụ năng lượng mặt trời của các nguyên tử ôxy. Theo tính toán tại giới hạn trên
(khoảng 800km) nhiệt độ có thể
đạt tới 750 - 1500
0
, dĩ nhiên là không thể đo được chính
xác. Khí quyển tầng nhiệt vô cùng loãng.
Tầng khí quyển ngoài: nhiệt độ của không khí ở tầng này có thể đạt cao hơn tầng
nhiệt, chuyển động của các chất khí nhẹ như hyđrô và hêli có tốc độ rất lớn, đạt 11,2km/s
và thắng lực hấp dẫn đi vào không gian giữa các hành tinh.
Theo tính chất điện: có thể phân thành tầng điện ly (tương đương với t
ầng nhiệt).
Trong phần lớn độ dày của tầng điện ly (từ 60-80km đến 800-1000km) có mật độ lớn của
các ion nguyên tử và phân tử của các chất khí khác nhau.
6-2
Chương 6. Các đặc điểm của khí quyển trái đất.
Tầng điện ly lại được chia thành 3 lớp theo mức độ ảnh hưởng của chúng đến sự
truyền sóng vô tuyến: lớp D (60-80km), lớp E (100-120km) và lớp F (200-400km).
6.3. Các bộ phận khí quyển điển hình và thời tiết trong đó.
6.3.1. Khái niệm về thời tiết.
Trạng thái khí quyển trên mặt địa cầu tại thời điểm đã cho, ở một vị trí nào đó được
đặc trưng bởi tập hợp những giá trị của các yếu tố khí tượng, đồng thời bởi những thay

đổi liên tiếp của chúng sau một khoảng thời gian nhất định gọi là thời tiết. Thời tiết là đại
lượng biến đổi theo không gian và thời gian.
Thời ti
ết có thể biến đổi với chu kỳ xác định, có liên quan với tiến trình ngày và
năm của các yếu tố khí tượng, liên quan tới sự thay đổi vị trí có chu kỳ của hệ Trái Đất -
Mặt trời và các thiên thể khác.
Thời tiết cũng có những biến đổi không có chu kỳ, xảy ra không phụ thuộc vào các
biến đổi thiên văn có chu kỳ nói trên, mà liên quan đến sự tồn tại và dịch chuyển các khối
không khí, các front khí quyển, sự hình thành và bi
ến đổi các xoáy thuận và xoáy nghịch,
gọi chung là các bộ phận khí quyển điển hình.
6.3.2. Khí đoàn.
6.3.2.1. Định nghĩa khí đoàn.
Hầu hết không khí trong tầng đối lưu là đồng nhất về tính chất vật lý theo chiều cao
và cả chiều ngang. Những khối không khí đồng nhất có bề dày từ mấy trăm mét, đến trên
mười km và bề rộng hàng nghìn km, có thể trao đổi giữa vùng nọ với vùng kia của Trái
Đất được gọi là khí đoàn.
Trong khí đoàn có sự thay đổi tính chất chung nhưng chậm và liên tục không có
bước nhảy. Các đặc trưng, gọi là
được bảo tồn là độ ẩm riêng, độ ẩm tuyệt đối, điểm
sương, tầm nhìn ngang. Đặc trưng dễ biến đổi theo thời gian và không gian là nhiệt độ
không khí và độ ẩm tương đối.
Các tính chất của một khí đoàn không chỉ phụ thuộc vào đặc điểm mặt trải dưới
(mặt đệm) mà còn phụ thuộc vào điều kiện thời tiết mà nó được tạ
o nên.
6.3.2.2. Sự tạo thành và biến đổi của khí đoàn.
Quá trình hình thành một khí đoàn là quá trình tiếp nhận các tính chất đặc trưng của
nó.
Điều kiện thuận lợi cho việc tạo ra một khí đoàn là các vùng xoáy nghịch xoáy
thuận ít di chuyển, trong các trường khí áp đan xen nhau. Tại đây không khí có thể đứng

lâu chỉ trên một vùng địa dư mà thôi. Vùng đó gọi là lò tạo lập của khí đoàn.
Chế độ nhiệt của mặt trải dưới ở lò tạo lập cần ph
ải gần như đồng đều. Những vùng
như thế, chỉ có trên đại dương, trên đất liền với cùng một lớp phủ (sa mạc, thảo nguyên).
Trong một thời gian dài, không khí thay đổi tuần hoàn trên những vùng, với mặt trải dưới
giống nhau, và dần tiếp nhận những tính chất điển hình của ổ tạo lập ra khí đoàn đó.
Sự tạo thành khí đoàn, trong các lớp khí dưới thấp củ
a tầng đối lưu, kéo dài mấy
ngày liền (từ 3-10 ngày). Thời gian ở lâu trên một vùng của không khí càng lớn thì các
tính chất của khí đoàn thể hiện càng rõ. Xét về mặt phụ thuộc của trạng thái thời tiết
(lượng mây, tốc độ gió..) trên vùng một ổ tạo lập, khí đoàn có thể tiếp nhận một vài giá
trị đặc trưng khác nhau của các yếu tố khí tượng.
6-3
Chương 6. Các đặc điểm của khí quyển trái đất.
Sự biến đổi (đổi dạng) của khí đoàn: trong sự thay đổi cường độ và hướng của các
dòng không khí trong khí quyển, khí đoàn từ bỏ ổ tạo lập ra mình và chuyển động sang
vùng khác. Trong quá trình dịch chuyển, nó bị cuốn vào những tác động mới của môi
trường xung quanh và thay đổi tính chất khí đoàn, trong suốt thời gian chịu tác động của
hoàn lưu khí quyển và của mặt trải dưới gọi là sự biế
n đổi của khí đoàn. Khí đoàn đi qua
biển và đại dương bị ẩm thêm, còn trên đất liền bị khô thêm, nếu đi về hướng nhiệt đới -
bị nóng lên, còn về hai cực - lạnh thêm. Khi dự báo thời tiết cần phải biết được khí đoàn
đó như thế nào, từ đâu tới, tính chất của nó sẽ thay đổi ra sao. Để làm điều đó, các khí
đoàn phải phân loại theo các dấu hi
ệu khác nhau. Có hai cách phân loại khí đoàn: theo
trạng thái nhiệt và theo vĩ độ địa dư.
6.3.2.3. Phân loại khí đoàn.
Theo trạng thái nhiệt, khí đoàn được phân thành ba dạng chính;
-Khí đoàn lạnh: là loại khí đoàn di chuyển từ vùng lạnh hơn về vùng nóng hơn. Khí
đoàn lạnh đi đến đâu thì ở vùng đó nhiệt độ hạ xuống, bản thân khí đoàn từ từ nóng lên.

-Khí đoàn nóng: là khí đoàn dịch chuyển từ vùng nóng hơn đến vùng lạnh hơn. Khí
đoàn nóng đi đến đâu thì ở vùng đó nhiệt độ nóng lên, b
ản thân khí đoàn từ từ lạnh đi.
-Khí đoàn địa phương: là loại khí đoàn đứng lâu trên một vùng nào đó, nó giữ được
những tính chất của chính mình mà không hề thay đổi. Khí đoàn loại này có thể tương
đối lạnh hoặc tương đối nóng, so với dạng khí đoàn bên cạnh theo những điều kiện của
sự cân bằng bức xạ.
Các khí đoàn nóng, lạnh, địa phương theo trạ
ng thái năng lượng của mình, có thể
bền vững hoặc không bền vững.
Nếu phân theo địa dư, có thể chia thành 4 loại khí đoàn chính với toạ độ địa lý khác
nhau của các ổ tạo lập: khí đoàn cực, khí đoàn gần cực, khí đoàn nhiệt đới và khí đoàn
xích đạo.
Một trong các khí đoàn trên, lại chia thành 2 loại: khí đoàn biển và lục địa, phụ
thuộc vào đặc điểm và ưu th
ế của mặt trải dưới của ổ tạo lập và theo hướng đi của khí
đoàn. Ví dụ: khí đoàn Bắc cực, tiến vào châu Âu, qua Scandinavi và phần Tây Bắc của
Liên Xô (cũ) gọi là khí đoàn Bắc cực lục địa; khí đoàn đi đến châu Âu từ vùng Greenland
- Spixbergen gọi là khí đoàn Bắc cực biển vì nó trải qua một khoảng dài trên mặt biển
rộng và nước ấm.
6.3.3. Front khí quyển.
6.3.3.1. Khái niệm về front khí quyển.
Lớp chuyển tiếp nằm giữa hai khí đoàn khác nhau gọi là mặt front (hay frontal).
Frontal có thể cao đến mấy km, đôi khi đến giới hạn trên của tầng đối lưu, ở đó sự trải
rộng ngang đến hàng mấy trăm và thậm chí đến hàng ngàn km. Bề rộng của frontal trên
mặt đất chỉ vài chục km. So với kích thước của các khí đoàn thì lớp front có kích thước
ngang không đáng kể. Vì thế giao tuyến của frontal với m
ặt đất hoặc với mặt phẳng nào
đó gọi là front (hoặc đường front). Liên quan với front là sự thay đổi của tất cả các yếu tố
khí tượng, tạo thành các hệ thống mây rộng lớn, cho giáng thuỷ, gió tăng cường.

Front giữa hai khí đoàn không tồn tại vĩnh viễn và không cố định mà luôn có sự
biến đổi - hình thành và mất đi vì các khí đoàn luôn thay đổi tính chất của mình, thay đổi
hướng các dòng khí. Front có thể được phân chia theo
địa dư và theo hướng chuyển
động.
6-4
Chương 6. Các đặc điểm của khí quyển trái đất.
6.3.3.2. Phân loại front.
Theo địa dư, có thể phân thành;
-Front Bắc cực (hoặc Nam cực): phân cách không khí Bắc cực (hoặc Nam cực) với
không khí vĩ độ trung bình.
-Front cực: ngăn cách không khí vĩ độ trung bình với không khí nhiệt đới.
-Front nhiệt đới: ngăn cách không khí nhiệt đới với không khí xích đạo.
Theo hướng chuyển động, chia thành các dạng;
-Front nóng: khi nó dịch chuyển về phía không khí lạnh hơn, không khí lạnh bị đẩy
lùi, không khí nóng tiến tới chiế
m chỗ.
-Front lạnh: khi không khí nóng được thay chỗ bởi không khí lạnh.
-Front ít di chuyển: là loại có sự dịch chuyển rất chậm, khi đó khó xác định được
đặc điểm của nó là nóng hay lạnh.
-Front cố tù: là front phức hợp trên chỗ nối của front nóng và lạnh.
6.3.4. Xoáy thuận.
Xoáy thuận là vùng khép kín của áp suất thấp, với chuyển động của không khí
ngược chiều kim đồng hồ ở Bắc bán cầu và cùng chiều kim đồng hồ ở Nam bán cầu. Trên
bản đồ thời tiết, nó được thể hiện dưới dạng hệ thống khép kín của các đường đẳng áp,
với khí áp cực tiểu ở tâm. Với cấu trúc như vậy, građien khí áp ngang có hướng vào tâm
của xoáy thuận. So với các hệ th
ống khí áp khác, các xoáy thuận có đại lượng gradien khí
áp lớn nhất và tốc độ gió lớn nhất. Trong các xoáy thuận sâu, khá phát triển, tốc độ gió
gần tâm có thể đạt tới 60 - 70m/s hoặc lớn hơn. Tại chính trung tâm của xoáy thuận,

gradien khí áp bằng 0 và tốc độ gió không đáng kể, khu vực này được gọi là mắt bão.
Trong khí quyển trái đất, không ngừng xảy ra sự hình thành phát triển và mất đi của
các xoáy thuận. Thời gian tồn tại của xoáy thuận t
ừ vài giờ đến vài ngày. Trong khí
quyển luôn tạo ra các điều kiện khác nhau, ở một số điều kiện này cho phép phát triển
xoáy thuận, ở các điều kiện khác lại ngăn cản sự phát triển.
Hiện nay có nhiều học thuyết về sự hình thành xoáy thuận, nhưng nhìn chung đều
chưa giải thích đầy đủ quá trình phát triển của chúng.
Phụ thuộc vào những đặc điểm của sự phát sinh và phát tri
ển, cũng như vào các
vùng địa lý khác nhau, chia xoáy thuận thành xoáy thuận nhiệt đới và xoáy thuận ngoại
nhiệt đới.
Cần chú ý đến xoáy thuận nhiệt đới, là vùng có tỷ lệ không lớn, nhưng các xoắn ốc
sâu, sinh ra động năng lớn, gradien khí áp trong xoáy thuận nhiệt đới đã phát triển là lớn
nhất so với các hệ thống khí áp khác và theo nó tốc độ gió cũng mạnh nhất.
Ở nước ta, xoáy thuận nhiệt đới còn được gọi là bão nhi
ệt đới, ngoài ra còn được
gọi là typhoon, hurricane …, gọi chung là áp thấp nhiệt đới (tropical depression).
Thời tiết trong xoáy thuận nhiệt đới:
-Thời gian hoạt động của xoáy thuận nhiệt đới được tính từ lúc nó mới hình thành
cho tới khi tan rã hoàn toàn. Theo từng giai đoạn phát triển của xoáy thuận nhiệt đới, điều
kiện thời tiết cũng rất khác nhau. Tuỳ thuộc vào tốc độ gió ở vùng gần tâm, phân chia
xoáy thuận nhiệt
đới thành 4 loại chính:
6-5