Bài giảng Thủy văn môi trường - Chương 3: Nước trong khí quyển - Nguyễn Thị Bảy

Nội dung text: Bài giảng Thủy văn môi trường - Chương 3: Nước trong khí quyển - Nguyễn Thị Bảy

1. Chương 3: NƯỚC TRONG KHÍ QUYỂN Mưa và bốc hơi là hai quá trình quan trọng nhất trong số các quá trình khí tượng liên tục xảy ra trong không khí 3.1 LUÂN CHUYỂN CỦA KHÔNG KHÍ. Trái đất liên tục tiếp nhận nhiệt từ mặt trời qua bức xạ mặt trời và phát nhiệt trở lại không gian qua bức xạ phản hồi. Các quá trình này được cân bằng ở suất trung bình 210 W/m2. Tuy nhiên, ở xích đạo, mức thu nhận trong bầu không khí cao hơn (khoảng 270 W/m2) do tia bức xạ gần như thẳng góc với mặt đất. Còn ở hai cực, mức thu nhận này thấp hơn (90 W/m2 ) do góc bức xạ nhỏ hơn. Do có sự không cân bằng như vậy, đã có sự vận chuyển năng lượng (nhiệt năng) từ xích đạo đến các địa cực theo mức trung bình khoảng 4.109 MW. Nếu xem trái đất là quả cầu cố định. Ở vùng xích đạo, do nóng hơn nên luồng khí bốc lên cao hơn, di chuyển trong tầng cao hơn của khí quyển về các cực, tại đó gặp lạnh, luồng khí hạ xuống thấp hơn và quay ngược trở về xích đạo tạo thành một hoàn lưu của một hành tinh không quay. Sự luân chuyển này gọi là luân chuyển Hadley. Chuyển động quay từ Tây sang Đông của trái đất đã tạo ra một lực phụ Coriolic (lực này bằng hai lần tích hữu hướng của hai véc tor vận tốc dòng khí u và vector vận tốc quay của trái đất ω: Fc = 2u^ ω, và hướng của Fc được xác định theo quy tắc bàn tay phải) làm cho luân chuyển Hadley bị thay đổi. Tại xích đạo, có một vòng đai khí xung quanh nó di chuyển về phía cực, dưới ảnh hưởng của lực Coriolic Fc , luồng không khí này đã chuyển động lệch về bên phải (nếu ở Bắc bán cầu, hay bên trái (nếu ở Nam bán cầu) so với chiều dọc theo vector u. Kết quả của ảnh hưởng này là sự xuất hiện luồng gió hướng Tây (gió hướng Tây là luồng gió từ hướng Tây thổi đến). Ởû vùng gần xích đạo:
2. ρv qv = (3.1) ρa với ρv là khối lượng riêng của hơi nước, ρa là khối lượng riêng của không khí ẩm. Từ định luật bảo toàn khối lượng, ta có dX/dt=mv là lưu lượng khối lượng hơi nước thêm vào (mang dấu cộng, bốc hơi), hay bớt ra (mang dấu trừ, ngưng tụ) khoảng không gian W. Ta có: ∂ mv = ∫∫∫qvρadw + ∫∫ qvρa VdA (3.2) ∂t wA 3.2.1 Áp suất hơi nước: Định luậät Dalton: Áp suất gây ra bởi các chất khí riêng phần thì độc lập với các chất khí khác. Gọi e là áp suất hơi nước, theo định luật chất khí lý tưởng, ta có: e=ρvRvT (3.3) Trong đó Rv là hằng số chất khí đối với hơi nước. 3.2.2 Áp suất hơi bão hoà es: Là áp suất hơi nước trong không khí mà tại đó tốc độ bốc hơi bằng tốc độ ngưng tụ. 3.2.3 Độ ẩm tương đối Rh: Là tỷ số giữa áp suất có thực và áp suất hơi bão hoà e Rh = (3.4) es 3.2.4 Lượng nước có thể tạo thành mưa: Lượng hơi ẩm trong cột không khí được gọi là lượng nước có thể được tạo thành mưa.
3. ⎛⎞17,27T Trong đó e là áp suất hơi bão hoà: es = 611exp⎜⎟ ⎝⎠237,3+ T Trong đó T tính bằng 0 C T là nhiệt độ tại mỗi lớp độ cao tính toán, tính bằng độ K p là áp suấtä tại mỗi lớp độ cao tính toán, tính bằng N/m2. Áp suất tại mỗi độ cao tương ứng z phụ thuộc vào từng độ cao, được xác định nhờ vào phương trình trạng thái khí và phương trình vi phân của lưu chất tĩnh, gọi là phương trình khí tĩnh: g αRa ⎛ Ti+1 ⎞ pi+1 = pi ⎜ ⎟ ⎝ Ti ⎠ trong đó: pi+1: là áp suất ở lớp độ cao i+1, Pa pi: là áp suất ở lớp độ cao i, Pa 0 Ti+1: là nhiệt độ ở lớp độ cao i+1, K 0 Ti: là nhiệt độ ở lớp độ cao i, K α: là hằng số =0,0065 T là nhiệt độ tại mỗi lớp độ cao tính toán, tính bằng độ K Ti+1=T1- α(Zi+1-Zi) Zi+1- là cao độ lớp i+1 Zi – là cao độ lớp i Các tính toán được lập thành bản sau: 3.3 HIỆN TƯỢNG NƯỚC RƠI - MƯA. Hiện tượng nước rơi bao gồm mưa, tuyết, và các quá trình nước rơi khác xuống mặt đất như mưa đá, mưa tuyết. Khi khối không khí ẩm bốc lên cao trong bầu khí quyển thì nhiệt độ giảm đi, một phần hơi ẩm ngưng kết lại. Có nhiều cơ chế tạo ra sự chuyển động lên của khối không khí: Bốc lên vì không khí được hun nóng bốc lên, vì khối khí di chuyển qua đồi núi, vì do chuyển động đối lưu.