Nhập môn hoàn lưu khí quyển - ( ĐH Quốc Gia HN ) - Chương 9

Chia sẻ: Nguyen Nhi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:29

Thêm vào BST

Báo xấu

68
lượt xem 9
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tầng bình lưu 9.1 Chu kỳ mùa của các hoàn l-u trong tầng bình l-u Cho đến nay, ta đã tập trung nghiên cứu phần lớn đặc điểm tầng đối l-u, tầng khí quyển đ-ợc đặc tr-ng bởi tầng kết t-ơng đối yếu, với gradien nhiệt độ khoảng 67K/km. Tại đỉnh tầng đối l-u, gradien nhiệt độ tiến dần đến phần d-ới 0; tầng bình l-u gần nh- là đẳng nhiệt. Tầng kết có thể đ-ợc xác định t-ơng ứng theo biến đổi của tần số Brunt-Vaisala, tần số này biến đổi từ 10-2 s-1 ở tầng đối l-u đến 2 x...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Nhập môn hoàn lưu khí quyển - ( ĐH Quốc Gia HN ) - Chương 9

ch−¬ng 9. tÇng b×nh l−u 9.1 Chu kú mïa cña c¸c hoμn l−u trong tÇng b×nh l−u Cho ®Õn nay, ta ®· tËp trung nghiªn cøu phÇn lín ®Æc ®iÓm tÇng ®èi l−u, tÇng khÝ quyÓn ®−îc ®Æc tr−ng bëi tÇng kÕt t−¬ng ®èi yÕu, víi gradien nhiÖt ®é kho¶ng 6- 7K/km. T¹i ®Ønh tÇng ®èi l−u, gradien nhiÖt ®é tiÕn dÇn ®Õn phÇn d−íi 0; tÇng b×nh l−u gÇn nh− lμ ®¼ng nhiÖt. TÇng kÕt cã thÓ ®−îc x¸c ®Þnh t−¬ng øng theo biÕn ®æi cña tÇn sè Brunt-Vaisala, tÇn sè nμy biÕn ®æi tõ 10-2 s-1 ë tÇng ®èi l−u ®Õn 2 x 10-2s-1 trong phÇn d−íi tÇng b×nh l−u. ë phÇn trªn tÇng b×nh l−u, tõ ®é cao 30km ®Õn kho¶ng 50km, nhiÖt ®é t¨ng theo chiÒu cao. Vïng chuyÓn tiÕp sang c¸c ®iÒu kiÖn tÇng kÕt æn ®Þnh ®−îc gäi lμ ®Ønh tÇng ®èi l−u, vïng nμy biÓu hiÖn râ ë c¸c miÒn nhiÖt ®íi vμ «n ®íi. Nã t¨ng dÇn theo c¸c vÜ ®é cùc ®Æc biÖt lμ vμo mïa ®«ng khi ë ®ã kh«ng cã mÆt trêi chiÕu s¸ng. Ph©n tÇng t¹i ®Ønh tÇng ®èi l−u t¨ng ®ét ngét cã nghÜa lμ tÇng b×nh l−u sÏ cã c¬ chÕ ®éng lùc kh¸c xa so víi tÇng ®èi l−u. BÊt æn ®Þnh tμ ¸p gÇn nh− bÞ triÖt tiªu vμ c¸c nhiÔu ®éng chñ yÕu bÞ chÆn ë mùc d−íi. TÇng kÕt ®ãng vai trß nh− mét m¸y läc, lo¹i bá nh÷ng nhiÔu ®éng quy m« nhá vμ chØ cho phÐp nh÷ng sãng dμi nhÊt truyÒn qua tÇng ®èi l−u ®Õn c¸c ®é cao lín h¬n trong tÇng b×nh l−u. Do ®ã, c¸c nhiÔu ®éng cã b−íc sãng ng¾n h¬n sÏ bÞ gi÷ l¹i trong tÇng ®èi l−u, ë ®ã nã ®ãng vai trß nh− mét sãng dÉn, biªn trªn cña nã sÏ lμ ®Ønh tÇng ®èi l−u. Ch−¬ng 9 sÏ minh ho¹ qu¸ tr×nh chän läc nμy. C¸c tr−êng ®· ®−îc ®−a ra tõ tËp ph©n tÝch cña Trung t©m dù b¸o thêi tiÕt h¹n võa Ch©u ¢u (ECMWF) biÓu diÔn m« h×nh syn«p cña dßng khÝ trong cïng thêi gian ph©n tÝch vμo mïa ®«ng, nh−ng t¹i c¸c mùc kh¸c nhau trong ph¹m vi tõ phÇn trªn tÇng ®èi l−u ®Õn phÇn gi÷a tÇng b×nh l−u. T¹i mùc 300hPa, cã thÓ thÊy nhiÒu r·nh s©u liªn quan víi hÖ thèng ¸p thÊp mÆt ®Êt còng nh− ¸p cao phÝa t©y Ireland vμ mét sè nhiÔu ®éng kh¸c. T¹i c¸c mùc cao h¬n cã thÓ thÊy ë gÇn mùc 30hPa (kho¶ng 24km trªn mÆt ®Êt) cã thÓ nh×n thÊy râ mét xo¸y nghiªng tõ cùc vÒ phÝa B¾c ¢u vμ mét xo¸y nghÞch yÕu trªn vïng b¾c Th¸i B×nh D−¬ng. KÕt qu¶ ph©n tÝch Fourier tr−êng hμm dßng t¹i c¸c mùc cao h¬n cho thÊy dßng vÜ h−íng bao gåm c¸c sãng víi sè sãng tõ mét ®Õn ba. Vμo mïa hÌ, t×nh h×nh t−¬ng tù nh−ng phøc t¹p h¬n cã thÓ thÊy nh− c¸c nhiÔu ®éng sãng. Ph©n bè hμm dßng ngμy 22 th¸ng 7 n¨m 1986 ®−îc biÓu diÔn trªn H×nh 9.2. T¹i mùc 300hPa, ®íi giã t©y «n ®íi rÊt Ýt bÞ nhiÔu ®éng, c¸c hÖ thèng tøc thêi víi biªn ®é lín râ trªn c¶ hai ®¹i d−¬ng. T¹i mùc 100hPa, xo¸y thuËn gÇn nh− bÞ triÖt tiªu, chØ cßn l¹i rÊt mê trªn B¾c Mü. Thay vμo ®ã, tr−êng dßng t¹i mùc nμy thèng trÞ bëi xo¸y nghÞch trªn vïng Trung §«ng vμ Trung ¸ liªn quan víi giã mïa Ch©u ¸. §Æc ®iÓm cña c¸c xo¸y nghÞch nμy trë nªn râ nÐt h¬n t¹i mùc 50hPa, trong khi ®ã t¹i mùc - 252 -
30hPa mét xo¸y nghÞch ®èi xøng trôc l¹i cã t©m ë cùc b¾c vμ bao phñ toμn bé b¸n cÇu mïa hÌ. H×nh 9.1 Ph©n bè hµm dßng ngµy 22/ 01/1987 t¹i c¸c mùc kh¸c nhau trªn B¾c B¸n CÇu. (a) 300hPa (kho¶ng 9km); (b) 100hPa (kho¶ng 17km); (c) 30hPa (kho¶ng 26km) vµ (d) 10hPa (kho¶ng 34km). Kho¶ng gi÷a ®−êng ®¼ng trÞ lµ 107m2s-1 Lý thuyÕt tr×nh bμy trong môc 6.4 cho ta mét gi¶i thÝch ®óng ®¾n vÒ sù biÕn ®æi ®Æc tr−ng cña c¸c dßng trªn cao chØ ra trªn H×nh 9.1, vμ ta sÏ ¸p dông lý thuyÕt nμy cho tÇng b×nh l−u trong môc 9.2. Nh−ng tr−íc tiªn cÇn ¸p dông ®Ó gi¶i thÝch cho dßng trung b×nh vÜ h−íng trong tÇng b×nh l−u. Dßng nμy chñ yÕu bÞ chi phèi bëi ho¹t ®éng bøc x¹, nh−ng bÞ biÕn ®æi m¹nh bëi sù truyÒn nhiÖt ®éng lùc víi cã mét chu kú mïa ®Æc tr−ng. - 253 -
H×nh 9.2 T−¬ng tù H×nh 9.1 nh−ng lµ ph©n bè hµm dßng ngµy 22/07/1986. (a) mùc 300hPa; (b) mùc 100hPa; (c) mùc 30hPa vµ (d) mùc 10hPa. Kho¶ng gi÷a ®−êng ®¼ng trÞ lµ 5 x 106m2s-1. (CÇn l−u ý ph¶i chuyÓn 10kPa sang 100hPa tøc lµ sang mb, vÝ dô 10kPa=100hPa) KhÝ quyÓn hÊp thô kho¶ng 1% bøc x¹ mÆt trêi tíi khÝ quyÓn, phÇn lín lμ bøc x¹ cùc tÝm. Nh−ng do mËt ®é kh«ng khÝ ë ®©y rÊt nhá nªn kÕt qu¶ lμ tèc ®é ®èt nãng trë nªn ®¸ng kÓ. H×nh 9.3 biÓu diÔn dßng bøc x¹ mÆt trêi trung b×nh ngμy tíi ®Ønh khÝ quyÓn nh− hμm cña vÜ ®é vμ thêi gian trong n¨m. §é n¾ng cùc ®¹i xuÊt hiÖn vμo ngμy h¹ chÝ. GÇn ngμy ®«ng chÝ, ë c¸c ®Ønh cùc sÏ hoμn toμn kh«ng ®−îc chiÕu s¸ng. TÇng khÝ quyÓn hÊp thô bøc x¹ cùc tÝm m¹nh nhÊt vμ quan träng nhÊt lμ tÇng «zon, «zon lμ ph©n tö ®−îc liªn kÕt bëi ba nguyªn tö «xy. ¤zon cã ¸p suÊt riªng cùc ®¹i t¹i mùc kho¶ng 25km vμ tû sè hçn hîp cùc ®¹i t¹i mùc 50km. TÇng «zon ®¹t ®−îc hiÖu øng lín nhÊt trong viÖc hÊp thô bøc x¹ tia cùc tÝm v¬i b−íc sãng nhá h¬n 300nm. Do ®ã, tèc ®é ®èt nãng cùc ®¹i, lªn tíi 12K/ngμy, xuÊt hiÖn ë ®Ønh tÇng «zon t¹i mùc kho¶ng 50 km. §©y chÝnh lμ m« h×nh cña sù ®èt nãng x¸c ®Þnh râ rμng profile nhiÖt ®é tuyÕn tÝnh th¼ng ®øng cña khÝ quyÓn víi tÇng kÕt æn ®Þnh tõ ®Ønh tÇng ®èi l−u ®Õn tÇng b×nh - 254 -
l−u, kho¶ng 60km, vμ tÇng kÕt æn ®Þnh nhá h¬n trong tÇng trung quyÓn. Sù t¨ng nhanh cña gradien nhiÖt ®é khÝ quyÓn cã liªn quan víi qu¸ tr×nh ®èt nãng nμy, cho ®Õn khi qu¸ tr×nh lμm l¹nh do ph¸t x¹ sãng dμi ®ñ lín ®Ó c©n b»ng víi qu¸ tr×nh ®èt nãng. Qu¸ tr×nh lμm l¹nh chñ yÕu lμ do dyoxit cacbon (CO2), tuy h¬i n−íc vμ «zon còng ph¸t ra d¶i tia hång ngo¹i gãp phÇn lín vμo qu¸ tr×nh lμm l¹nh. H×nh 9.4 biÓu diÔn tèc ®é ®èt nãng do tÇng «zon hÊp thô bøc x¹ mÆt trêi, vμ tèc ®é ®èt nãng thuÇn do tÊt c¶ c¸c qu¸ tr×nh bøc x¹. H×nh 9.3 Dßng trung b×nh ngµy cña bøc x¹ mÆt trêi t¹i giíi h¹n trªn cña khÝ quyÓn lµ hµm cña vÜ ®é vµ thêi gian trong n¨m. Kho¶ng gi÷a c¸c ®−êng ®¼ng trÞ lµ 50Wm-2. Vïng ®Ëm biÓu diÔn khu vùc mïa ®«ng cùc T¹i c¸c ®iÓm chÝ, ta cã thÓ dù b¸o sù ®èt nãng theo m« h×nh tõ sù ph©n bè cña bøc x¹ mÆt trêi, víi qu¸ tr×nh ®èt nãng trªn toμn b¸n cÇu mïa hÌ vμ lμm l¹nh cùc ®¹i vμo mïa ®«ng t¹i c¸c vÜ ®é cao. T¹i c¸c ®iÓm ph©n, c¸c m« h×nh ®èi xøng trôc râ rÖt quanh xÝch ®¹o, víi ®èt nãng ë miÒn nhiÖt ®íi vμ lμm l¹nh ë c¸c vÜ ®é cao ë c¶ hai b¸n cÇu. H×nh 9.4 MÆt c¾t th¼ng ®øng biÓu diÔn tèc ®é ®èt nãng ë tÇng b×nh l−u: (a) ®èt nãng do «zon ngµy 21/12; (b) ®èt nãng do «zon ngµy 21/03 - 255 -
H×nh 9.4 (tiÕp) (c) §èt nãng thuÇn bao gåm c¶ lµm l¹nh do ph¸t x¹ sãng dµi, th¸ng giªng; (d) §èt nãng thuÇn, th¸ng 3. Kho¶ng gi÷a ®−êng ®¼ng trÞ 1K/ngµy. Trong h×nh (a) vµ (b) vïng t« ®Ëm chØ c¸c ®¹i l−îng v−ît qu¸ 8K/ngµy, trong (c) vµ (d) vïng t« ®Ëm chØ ®èt nãng thuÇn (Theo Gille & Lyjak,1986) MÆc dï «zon cã vai trß rÊt quan träng trong cÊu tróc nhiÖt ®é cña tÇng b×nh l−u nh−ng mËt ®é cña nã l¹i v« cïng nhá, sè l−îng kh«ng qu¸ mét phÇn tö khÝ trong 105 víi mËt ®é cùc ®¹i cña «zon. Tæng thÓ tÝch cña «zon bëi ®é dμy cña mét cét khÝ nÕu toμn bé l−îng «zon ®−îc t¸ch ra vμ nÐn l¹i thμnh mét líp máng t¹i khÝ ¸p 1000hPa vμ nhiÖt ®é 273K. C¸c gi¸ trÞ ®Æc tr−ng dao ®éng trong kho¶ng 2,6 ®Õn 4,5, tïy thuéc vμo vÜ ®é vμ mïa. Ng−îc l¹i, khÝ quyÓn ®ång nhÊt ®o b»ng c¸ch nμy cã ®é dÇy lμ 8km. T×nh h×nh phøc t¹p h¬n do «zon lμ yÕu tè cã sù biÕn ®æi lín. C¸c nh©n tè ¶nh h−ëng ®Õn mËt ®é cña nã sÏ ®−îc th¶o luËn chi tiÕt h¬n trong môc 9.3. Vμo mïa ®«ng, tèc ®é ®èt nãng t¹i c¸c vÜ ®é cao b»ng kh«ng khi ë ®ã kh«ng ®−îc mÆt trêi chiÕu s¸ng. Tèc ®é ®èt nãng t¨ng lªn t¹i c¸c vÜ ®é nhiÖt ®íi. KÕt qu¶ lμ xuÊt hiÖn gradien nhiÖt ®é rÊt lín gÇn vïng cùc t¹i 660 vÜ, vμ ë ®©y nhiÖt ®é rÊt thÊp. Trong c©n b»ng giã nhiÖt víi gradien nhiÖt ®é nμy, t¹i c¸c vÜ ®é cao giã vÜ h−íng sÏ t¨ng theo chiÒu cao vμ cã c−êng ®é kh¸ m¹nh v−ît qu¸ 50hPa. Dßng xiÕt vÜ ®é cao hoÆc dßng xiÕt “®ªm vïng cùc” nh×n chung n»m kh¸ xa so víi trôc ®èi xøng. Ýt nhÊt ë B¾c B¸n CÇu nh− ®· chØ ra trªn H×nh 9.1, nã bÞ biÕn d¹ng vμ di chuyÓn ra khái vïng cùc. - 256 -
u  ë tÇng b×nh l−u, H×nh 9.5 MÆt c¾t th¼ng ®øng biÓu diÔn giã vÜ h−íng tÝnh trung b×nh theo vÜ tuyÕn dùa theo sè liÖu khÝ hËu cña Fleming & céng sù (1990): (a) th¸ng giªng; (b) th¸ng 7. Kho¶ng gi÷a ®−êng ®¼ng trÞ lµ 10ms-1, vïng ®Ëm lµ giã ®«ng. H×nh vÏ nµy vµ c¸c h×nh vÏ kh¸c t−¬ng tù, täa ®é th¼ng ®øng lµ 1000log(p/pR). CÇn l−u ý r»ng c¸c kho¶ng chia ®−îc lÊy lµ 14,7km H×nh 9.5 biÓu diÔn mÆt c¾t th¼ng ®øng theo chiÒu cao–vÜ ®é cña giã vÜ h−íng trung b×nh vÜ h−íng trong tÇng b×nh l−u. ë b¸n cÇu mïa hÌ, dßng xiÕt h−íng t©y tÇng ®èi l−u biÕn mÊt rÊt nhanh trong phÇn d−íi tÇng b×nh vμ hÖ thèng giã phÇn lín cã h−íng ®«ng. Trong b¸n cÇu mïa ®«ng, dßng xiÕt h−íng t©y tÇng ®èi l−u lu«n bÞ suy yÕu ë phÝa trªn ®Ønh tÇng ®èi l−u, trong khi ®ã, dßng xiÕt “®ªm vïng cùc” l¹i t¨ng c−êng rÊt nhanh, ®¹t ®−îc gi¸ trÞ kho¶ng 60m/s t¹i ®Ønh tÇng b×nh l−u. C¸c tr−êng giã ë miÒn nhiÖt ®íi khã ®¸nh gi¸ h¬n. Kh«ng thÓ suy luËn giã nμy tõ c©n b»ng giã nhiÖt vμ viÖc ®o trùc tiÕp tr−êng giã cña tÇng b×nh l−u lμ rÊt khã kh¨n v× tÇng m©y th«ng th−êng n»m trªn ®é cao lín nhÊt cña th¸m s¸t cao kh«ng. MÆc dï ta ®· th¶o luËn vÒ ®Æc tr−ng c¬ b¶n cña nhiÖt ®é trung b×nh vÜ h−íng vμ tr−êng giã tÇng b×nh l−u trong c¸c thμnh phÇn ph©n bè nhiÖt ®é theo c©n b»ng bøc x¹. CÇn nhËn thÊy r»ng, mét sè ®Æc ®iÓm cña tÇng b×nh l−u rÊt kh¸c so víi tr¹ng th¸i c©n b»ng bøc x¹. H×nh 9.6 biÓu diÔn kÕt qu¶ tÝnh tr−êng nhiÖt ®é tÇng b×nh l−u x¸c ®Þnh b»ng c©n b»ng bøc x¹. KÕt qu¶ nμy thu ®−îc b»ng c¸ch tÝch ph©n m« h×nh bao gåm chu kú mïa cña bøc x¹ mÆt trêi nh−ng bá qua sù truyÒn nhiÖt ®éng lùc, so s¸nh víi kÕt qu¶ quan tr¾c. Cùc theo sè liÖu quan tr¾c nãng h¬n ®¸ng kÓ so víi cùc tÝnh theo c©n b»ng bøc x¹, nh− vËy lμ hoμn l−u khÝ quyÓn truyÒn nhiÖt ®Õn c¸c vïng vÜ ®é cao. §¸ng chó ý h¬n, c¸c th¸m s¸t cho thÊy mét nhiÖt ®é cùc ®¹i ®Þa ph−¬ng ë miÒn «n ®íi, víi mét xÝch ®¹o l¹nh vμ mét cùc ®¹i nhiÖt ®é gÇn 500N. Cïng víi sù ®¶o ng−îc cña gradien nhiÖt ®é th«ng th−êng lμ sù thÝch øng víi ®é ®øt giã ®«ng phÝa trªn dßng xiÕt tÇng ®èi l−u, do ®ã, ®èi víi dßng xiÕt ®Æc tr−ng cùc ®¹i ë gÇn ®Ønh tÇng ®èi l−u. Sù tån t¹i cña xÝch ®¹o l¹nh tÇng b×nh l−u thÓ hiÖn râ nÐt h¬n ®èi víi mét vßng hoμn l−u rÊt m¹nh vËn chuyÓn nhiÖt h−íng cùc. Lý thuyÕt "Charney-Drazin" giíi thiÖu trong môc 6.4 dù b¸o ¶nh h−ëng l¹nh cña tÇng b×nh l−u ®· quan tr¾c ®−îc ®èi víi c¸c xo¸y. Ta ®· thÊy trong ®íi giã t©y, chØ cã c¸c sãng dμi Rossby cã thÓ truyÒn theo ph−¬ng th¼ng ®øng. C¸c sãng cã b−íc sãng ng¾n h¬n lμ rÊt mê vμ sÏ bÞ suy yÕu nhanh chãng vμ biÕn mÊt theo ®é cao. §íi giã t©y cμng m¹nh th× b−íc sãng lan truyÒn theo theo chiÒu th¼ng ®øng cña sãng Rossby cμng dμi. §íi giã t©y m¹nh vμ dßng xiÕt ban ®ªm vïng cùc c¶n trë sù lan truyÒn lªn cao cña c¸c nhiÔu ®éng cã b−íc sãng nhá h¬n. C¸c nhiÔu ®éng nμy suy yÕu nhanh ë phÝa trªn cña ®Ønh tÇng ®èi l−u. T¹i c¸c mùc cao nhÊt, chØ tån t¹i c¸c sãng víi sè sãng 1, 2 vμ 3 víi biªn ®é ®¸ng kÓ. LiÖu r»ng biªn ®é cña c¸c sãng dμi nμy cã t¨ng theo chiÒu cao hay kh«ng. KÕt qu¶ nμy cã liªn quan víi hiÖu øng mËt ®é trong lý thuyÕt Charney-Drazin. - 257 -
H×nh 9.6 So s¸nh nhiÖt ®é tÇng b×nh l−u b»ng c©n b»ng bøc x¹ víi nhiÖt ®é tÇng b×nh l−u tÝnh trung b×nh theo vÜ tuyÕn quan tr¾c ®−îc ®èi víi th¸ng 7: (a) c©n b»ng bøc x¹, theo K. P. Shine vµ dùa trªn nh÷ng tÝnh to¸n më réng cña Shine (1987); (b) quan tr¾c tõ sè liÖu khÝ hËu cña Fleming vµ céng sù (1990). Kho¶ng gi÷a ®−êng ®¼ng trÞ 10K, vïng ®Ëm chØ nhiÖt ®é nhá h¬n –60oC Vμo gi÷a mïa hÌ, sù chiÕu s¸ng cña mÆt trêi ë vïng cùc ®¹t cùc ®¹i. Gãc thÊp cña mÆt trêi t−¬ng øng ®−îc bï l¹i nhiÒu h¬n bëi ngμy dμi ë c¸c vÜ ®é cao. Trong tÇng ®èi l−u, qu¸ tr×nh t¸n x¹ vμ hÊp thô bøc x¹ mÆt trêi däc theo tia bøc x¹ ®i qua khÝ quyÓn trªn qu·ng ®−êng dμi do ®ã ®é n¾ng thËm chÝ lín h¬n ë mïa hÌ nhiÖt ®íi. Tuy nhiªn trong tÇng b×nh l−u, sù khuÕch t¸n vμ hÊp thô bøc x¹ mÆt trêi l¹i Ýt quan träng. Cùc ®¹i nhiÖt ®é ®¹t ®−îc ë mïa hÌ, gradien nhiÖt ®é h−íng cùc lμ ®Æc tr−ng cña tÇng b×nh l−u trong mïa hÌ. C©n b»ng giã nhiÖt t−¬ng øng víi ®é ®øt giã ®«ng trong tÇng b×nh l−u, thËt vËy, t¹i mùc kho¶ng 50hPa, ®íi giã ®«ng thiÕt lËp trong suèt b¸n cÇu mïa hÌ. C¸c dßng chuyÓn tiÕp gi÷a mïa ®«ng vμ mïa hÌ rÊt ®¸ng quan t©m. Sù chuyÓn tiÕp trong mïa thu rÊt nhÞp nhμng vμ phèi hîp pha víi quy m« thêi gian cña bøc x¹ (kho¶ng 5-20 ngμy, tïy thuéc vμo ®é cao). Khi ®èt nãng bøc x¹ mÆt trêi bÞ suy yÕu t¹i cùc l©n cËn c¸c ®iÓm ph©n th× b¾t ®Çu qu¸ tr×nh vμ b¾t ®Çu h×nh thμnh xo¸y thuËn nhá trªn vïng cùc. §íi giã t©y ®Æc tr−ng cho mïa hÌ vÉn æn ®Þnh ë miÒn «n ®íi. Xo¸y vïng cùc t¨ng c−êng vμ më réng cho ®Õn khi dßng xiÕt ban ®ªm vïng cùc bÞ nhiÔu ®éng m¹nh ®−îc h×nh thμnh, trong khi ®ã ®íi giã ®«ng rót lui vÒ phÝa miÒn nhiÖt ®íi. Sù chuyÓn tiÕp th−êng kÕt thóc vμo cuèi th¸ng 11. Sù chuyÓn biÕn mïa xu©n cã phÇn ®ét ngét h¬n. §«i khi chØ víi quy m« mét vμi ngμy, ®íi giã t©y nhanh chãng bÞ suy yÕu. Hoμn l−u xo¸y nghÞch lμm suy yÕu xo¸y vïng cùc vμ thay thÕ chóng. Cïng lóc ®ã, nhiÖt ®é t¨ng nhanh trªn c¸c vïng cùc. “Sù nãng lªn ®ét ngét ë tÇng b×nh l−u” ®ã lμ c¸c hiÖn t−îng syn«p ®ét ngét nhÊt ë phÇn gi÷a cña khÝ quyÓn. Sù biÕn ®æi ®ét ngét cña hoμn l−u lμ nguyªn nh©n cña hÖ thèng giã ®«ng trong mïa hÌ. Khi qu¸ tr×nh ®èt nãng x¶y ra muén trong mïa ®«ng th× nã cã thÓ ®¸nh dÊu sù suy yÕu cuèi cïng cña hoμn l−u mïa ®«ng. §íi giã ®«ng tån t¹i cho ®Õn mïa thu tiÕp theo. Nh−ng nÕu trong mïa ®«ng, ®èt nãng ®Õn sím h¬n hoÆc yÕu h¬n, th× ®íi giã sÏ tiÕn dÇn tíi dßng khÝ mïa ®«ng b×nh th−êng, t−¬ng øng víi quy m« thêi gian bøc x¹. - 258 -
H×nh 9.7 biÓu diÔn kÕt qu¶ ®iÓn h×nh cña qu¸ tr×nh ®èt nãng ë tÇng b×nh l−u. MÆc dï sù biÕn ®æi cña giã rÊt ®ét ngét nh−ng c¸c xo¸y nghÞch vÉn h×nh thμnh bªn ngoμi xo¸y vïng cùc mét thêi gian tr−íc khi cã qu¸ tr×nh ®èt nãng. Sù biÕn ®æi ®ét ngét trong qóa tr×nh ®èt nãng, x¶y ra trong quy m« thêi gian chØ vμi ngμy cho thÊy nguån gèc ®éng lùc ®èi víi hiÖn t−îng nμy. Sù lan truyÒn cña c¸c nhiÔu ®éng tõ c¸c mùc thÊp h¬n d−êng nh− cã vμ cã mèi liªn quan gi÷a sù ®èt nãng vμ c¸c dÞ th−êng d−¬ng nh− qu¸ tr×nh ng¨n chÆn trong tÇng ®èi l−u. Sù chuyÓn biÕn trong tÇng b×nh l−u cña Nam B¸n CÇu Ýt ®ét ngét h¬n cßn dßng xiÕt ban ®ªm ë vïng cùc Ýt bÞ nhiÔu ®éng h¬n. §iÒu nμy cã thÓ ph¶n ¸nh c¸c sãng dμi dõng yÕu h¬n trong tÇng ®èi l−u cña Nam B¸n CÇu. Tr¹ng th¸i Ýt nhiÔu ®éng cña xo¸y nam cùc cã vai trß rÊt quan träng träng sù h×nh thμnh lç thñng tÇng «zon rÊt lín ph¸t hiÖn ®−îc trong nh÷ng n¨m gÇn ®©y trªn Nam Cùc. Sù suy yÕu cña c¸c nhiÔu ®éng lμm cho kh«ng khÝ bÞ chÆn trong xo¸y vïng cùc trong thêi gian dμi vμ do ®ã c¸c ph¶n øng ph¸ vì cÊu tróc ph©n tö cã ®ñ thêi gian x¶y ra. H×nh 9.7 KÕt qu¶ c¸c tr−êng syn«p t¹i mùc 10hPa trong thêi kú cã hiÖn t−îng nãng lªn cña tÇng b×nh l−u. §−êng liÒn chØ ®é cao ®Þa thÕ vÞ, kho¶ng gi÷a ®−êng ®¼ng trÞ lµ 500m, vïng ®Ëm chØ nh÷ng gi¸ trÞ lín h¬n 31km. §−êng ®øt chØ nhiÖt ®é, kho¶ng gi÷a ®−êng ®¼ng trÞ lµ 5K, víi ®¹i l−îng gi÷a 210K vµ 220K ®−îc t« ®Ëm. §−êng vÜ tuyÕn bªn ngoµi t¹i 30oN. (a) ngµy 23/12/1981; (b) 26/12/1981 - 259 -
H×nh 9.7 (tiÕp) (c) ngµy 29/12/1981; (d) 02/01/1981 (Theo A.O’neill) Lý thuyÕt vÒ sù lan truyÒn sãng Rossby theo ph−¬ng th¼ng ®øng trong Ch−¬ng 6 trong viÖc gi¶i thÝch c¸c kÕt qu¶ th¸m s¸t nãi tíi trong phÇn nμy. §ång thêi, c¸c xo¸y trong tÇng b×nh l−u vμo mïa ®«ng t¹o ra th«ng l−îng nhiÖt vμ ®éng l−îng rÊt lín lμm biÕn ®æi tr¹ng th¸i trung b×nh vÜ h−íng. Nh− c¸c kÕt qu¶ nghiªn cøu tr×nh bμy trong môc 6.4 cho thÊy sù lan truyÒn cña sãng vμ t−¬ng t¸c cña chóng víi c¸c dßng trung b×nh lμ c¸c vÊn ®Ò cã liªn quan víi nhau. Ta sÏ trë l¹i th¶o luËn vÊn ®Ò nμy trong môc tiÕp theo. 9.2 Sù lan truyÒn sãng vμ t−¬ng t¸c cña dßng trung b×nh C¸c ®iÒu kiÖn cÇn ®Ó sù lan truyÓn theo ph−¬ng th¼ng ®øng cña sãng Rossby lμ nguyªn nh©n cña sù v¾ng mÆt cña c¸c sãng trong tÇng b×nh l−u vμo mïa hÌ vμ c¸c nhiÔu ®éng sãng dμi cña dßng xiÕt ban ®ªm vïng cùc quan tr¾c thÊy trong mïa ®«ng. H×nh 6.19 cho ta thÊy sãng Rossby sÏ suy yÕu theo ph−¬ng th¼ng ®øng nÕu giã vÜ h−íng lμ giã ®«ng. Do ®ã, ta cã thÓ thÊy dßng trung b×nh trong tÇng b×nh l−u vμo mïa hÌ phÇn lín lμ kh«ng nhiÔu ®éng do sù lan truyÒn sãng. H¬n n÷a, c¸c dßng nμy cã tÝnh ®èi xøng trôc rÊt cao. §iÒu bÊt ngê nhÊt lμ nã kh«ng bÞ nhiÔu ®éng m¹nh bëi c¸c xo¸y tøc thêi. Lý thuyÕt môc 6.4 cã thÓ thay ®æi mét c¸ch dÔ dμng ®Ó ¸p dông cho tr−êng hîp lan truyÒn sãng víi tèc ®é pha lμ c. KÕt qu¶ nhËn ®−îc dÔ dμng b»ng c¸ch thay thÕ U b»ng U- c trong ph−¬ng tr×nh (6.43). Tèc ®é pha cña sãng Rossby trong tÇng b×nh l−u nh×n chung lμ nhá h¬n so víi tèc ®é gÝo trong ®íi giã ®«ng tÇng b×nh l−u trong mïa - 260 -
hÌ. Cã kh¶ n¨ng nã lan truyÒn trong ®íi giã t©y, t−¬ng tù nh− trong tÇng b×nh l−u mïa ®«ng cã thÓ x¶y ra trong ®íi giã t©y. C¸c sãng dμi nhÊt cã thÓ lan truyÒn nhanh nhÊt, trong khi ®ã c¸c sãng ng¾n h¬n dÔ bÞ mê nh¹t. HiÖu øng läc cña tÇng b×nh l−u æn ®Þnh trong ®íi giã t©y ®−îc minh ho¹ trªn H×nh 9.1, ®−îc gi¶i thÝch mét c¸ch dÔ dμng. TÊt nhiªn, lý thuyÕt tõ môc 6.4 cã sù lý t−ëng ho¸ rÊt cao, vμ sù gi¶ thiÕt h»ng sè N vμ U rÊt gÇn víi sù thùc. C«ng thøc Eliasen-Palm cho ta mét c¸ch më réng lý thuyÕt cho c¸c ®iÒu kiÖn tæng qu¸t h¬n. Trong phÇn nμy, ta sÏ tËp trung chó ý vμo t×nh h×nh mïa ®«ng ®Ó ®¸nh gi¸ c¸c tÝnh chÊt cña c¸c kh¶ n¨ng vËn chuyÓn cña c¸c sãng hμnh tinh tÇng b×nh l−u. Dßng nhiÖt ®−îc vËn chuyÓn bëi sù lan truyÒn th¼ng ®øng cña sãng Rossby ®−îc ®−a vμo ph−¬ng tr×nh (6.53) ®èi víi h×nh thÓ ®¬n gi¶n nhÊt cña sù lan truyÒn th¼ng ®øng trong mét vïng giã vÜ h−íng ®ång nhÊt. Ngoμi dßng nhiÖt ®−îc vËn chuyÓn trùc tiÕp bëi c¸c xo¸y cßn cã sù vËn chuyÓn nhiÖt bëi xo¸y gi¸n tiÕp bëi ¶nh h−ëng cña xo¸y ®èi víi hoμn l−u trung b×nh kinh h−íng. TÝnh chung hiÖu øng nμy x¸c ®Þnh toμn bé l−îng nhiÖt ®−îc c¸c xo¸y vËn chuyÓn. C¸c ý t−ëng t−¬ng tù cÇn ®−îc th¶o luËn vÒ sù vËn chuyÓn cña mét sè yÕu tè nh− «zon bëi hoμn l−u tÇng b×nh l−u trong mïa ®«ng, vÊn ®Ò nμy sÏ ®−îc ®Ò cËp l¹i trong môc tiÕp theo. Xo¸y vμ c¸c thμnh phÇn kinh h−íng cña dßng nhiÖt cã xu h−íng bÞ triÖt tiªu, kÕt qu¶ cña qu¸ tr×nh ®· ®−îc tr×nh bμy trong môc 4.4. Trong ®ã chóng t«i ®· chØ ra r»ng cùc ®¹i cña dßng nhiÖt xo¸y h−íng cùc ë miÒn «n ®íi sÏ t¹o nªn hoμn l−u nhiÖt trung b×nh kinh h−íng gi¸n tiÕp. Hoμn l−u kinh h−íng nμy cã xu thÕ vËn chuyÓn nhiÖt ®i xuèng vμ vÒ phÝa xÝch ®¹o, trong khi ®ã dßng nhiÖt trùc tiÕp do c¸c xo¸y l¹i cã h−íng ng−îc l¹i. §Ó cã ®−îc mét lËp luËn chÆt chÏ h¬n, ta sÏ quay trë l¹i c¸c ph©n tÝch trong môc 4.4, ë ®©y ta dïng ®é cao gi¶ z’ lμm to¹ ®é th¼ng ®øng do vÊn ®Ò cã liªn quan víi tÇng b×nh l−u. C¸c ph−¬ng tr×nh trung b×nh Eulerian trong c¸c to¹ ®é §Òc¸c ®Þa ph−¬ng ®−îc cho ra trong c¸c ph−¬ng tr×nh (4.27) vμ (4.28) cïng víi ph−¬ng tr×nh giã nhiÖt (4.29). Thay ®é cao gi¶ z’ vμo ta cã thÓ viÕt l¹i nh− sau  u     **  f v    u v  F1  (9.1) t y  R N2  w    v**  Q  (9.2) t y g Cïng víi ph−¬ng tr×nh c©n b»ng giã nhiÖt u g   f (9.3) z   R y vμ ph−¬ng tr×nh liªn tôc v 1   R w   0  (9.4) y  R z Ta sÏ cã mét phÐp biÕn ®æi h÷u Ých ®èi víi c¸c ph−¬ng tr×nh trªn nÕu ta ®Þnh nghÜa phÇn giã d− d−íi d¹ng - 261 -
  1  v * * vr  v   R  (9.5a)  R z     Rz       v * * wr  w    (9.5b) y   Rz    PhÇn giã kinh h−íng d− vÉn tho¶ m·n ph−¬ng tr×nh liªn tôc cho nªn nã x¸c ®Þnh mét hoμn l−u kinh h−íng d−. Thay vμo c¸c ph−¬ng tr×nh nhiÖt ®éng lùc vμ ph−¬ng tr×nh ®éng l−îng ta cã u   f v r    F  F1  1 (9.6) t R   R N 2 wr  Q  (9.7) t g C¸c ph−¬ng tr×nh nμy ®−îc gäi lμ ph−¬ng tr×nh “biÕn ®æi Eulerian trung b×nh” (TEM). L−u ý r»ng, sè h¹ng xo¸y chØ xuÊt hiÖn râ rμng trong ph−¬ng tr×nh ®éng l−îng, trong ®ã c¸c kÕt qu¶ tæ hîp cña dßng nhiÖt vμ dßng ®éng l−îng ®−îc chøa trong sè h¹ng  F. Ph−¬ng tr×nh nhiÖt ®éng lùc cho thÊy r»ng trong c¸c dßng dõng, hoμn l−u kinh h−íng d− hoμn toμn phï hîp víi gradien cña qu¸ tr×nh ®èt nãng. Hoμn l−u trung b×nh Eulerian ph¸t sinh bëi dßng nhiÖt h−íng cùc ®· ®−îc lo¹i bá khái c¸c hoμn l−u d− b»ng c¸ch biÕn ®æi c¸c ph−¬ng tr×nh (9.5a,b). XÐt c¸c ®iÒu kiÖn dõng, dßng kh«ng ma s¸t vμ ®o¹n nhiÖt, c¸c ph−¬ng tr×nh TEM cho ta mét kÕt qu¶ quan träng, gäi lμ ®Þnh lý Eliassen-Palm. XÐt tr−êng hîp ®Æc biÖt, dßng dõng, kh«ng ma s¸t vμ ®o¹n nhiÖt. Khi ®ã c¸c ph−¬ng tr×nh TEM cã d¹ng sau   f v r  1 F (9.8a) R s 2 wr  0 (9.8b) Ph−¬ng tr×nh (9.8b) kÕt hîp víi ph−¬ng tr×nh liªn tôc, trong ®ã [w]r = [v]r =0, vμ v× vËy  .F  0 (9.9) Ph−¬ng tr×nh trªn kh«ng cho thÊy dßng xo¸y b»ng 0. Nã chØ cho thÊy sù biÕn ®æi cña [v**] theo ph−¬ng th¼ng ®øng vμ cña [u*v*] theo ph−¬ng ngang sao cho dßng Eliassen- Palm cã ®é ph©n kú b»ng kh«ng. §ã lμ tr−êng hîp sãng Rossby lan truyÒn theo ph−¬ng th¼ng ®øng ®· ®−îc th¶o luËn trong Ch−¬ng 6. Ta ®· biÕt r»ng dßng nhiÖt h−íng cùc liªn quan víi sãng nμy rÊt ®¸ng kÓ. Tuy nhiªn, sù biÕn ®æi cña nã theo ph−¬ng th¼ng ®øng sao cho     R v **  0 (9.10) z  Tøc lμ, ph−¬ng tr×nh (9.9) ®−îc tho¶ m·n nÕu [u* v*] = 0. ý nghÜa vËt lý cña ph−¬ng tr×nh nμy lμ mÆc dï cã mèi liªn quan gi÷a dßng nhiÖt h−íng cùc vμ sãng Rossby nh−ng nã vÉn c©n b»ng víi dßng nhiÖt h−íng vÒ xÝch ®¹o ®−îc vËn chuyÓn bëi hoμn l−u trung b×nh Eulerian ®· ph¸t sinh. - 262 -
Ta ®· sÏ xÐt c¸c h×nh thÕ kh¸c trong ®ã lý thuyÕt Eliassen-Palm kh«ng ®óng. Th«ng l−îng nhiÖt víi mét mode Eady ph¸t triÓn, ®· ®−îc nh¾c ®Õn trong môc 5.4  kh«ng tho¶ m·n ®−îc .F  0 , thËm chÝ víi m« h×nh xo¸y lμ ®o¹n nhiÖt vμ kh«ng ma  s¸t. Thùc vËy, cã sù ph©n kú kh«ng x¸c ®Þnh cña F trong mét líp máng gÇn biªn d−íi, vμ t−¬ng øng lμ sù héi tô ë gÇn biªn trªn. Nguyªn nh©n lμ sãng Eady cã biªn ®é theo quy luËt luü thõa, nªn chóng kh«ng liªn quan víi dßng dõng. MÆc dï hoμn l−u kinh h−íng ph¸t sinh c©n b»ng víi dßng nhiÖt h−íng cùc truyÒn ®i bëi mode Eady nh−ng chóng vÉn kh«ng hoμn toμn bï ®¾p ®ñ cho nã, cho nªn vÉn cã sù vËn chuyÓn nhiÖt vÒ phÝa cùc. Trong hoμn l−u toμn cÇu tÇng ®èi l−u ta còng ¸p dông viÖc xem xÐt t−¬ng tù. Vßng hoμn l−u Ferrel lμ sù truyÒn nhiÖt gi¸n tiÕp vμ còng cã xu h−íng vËn chuyÓn nhiÖt vÒ phÝa xÝch ®¹o. Nh−ng c¸c dßng rÊt bÊt æn ®Þnh chÞu t¸c ®éng cña lùc ma s¸t gÇn bÒ mÆt. Do ®ã dßng nhiÖt h−íng cùc lμ do c¸c xo¸y trong tÇng ®èi l−u ë miÒn «n ®íi. LËp luËn cña ta qu¸ xa so víi c¸c lý thuyÕt tuyÕn tÝnh vÒ sù lan truyÒn sãng Rossby theo ph−¬ng th¼ng ®øng. B¶n chÊt cña sãng Rossby lμ sù dÞch chuyÓn nhá theo kinh h−íng cña phÇn tö khÝ. PhÇn tö khÝ b¶o tån xo¸y thÕ cña khi nã di chuyÓn vμo vïng mμ ë ®ã xo¸y thÓ ë biªn lμ kh¸c nhau. Sù ph¸t sinh c¸c hoμn l−u cã xu h−íng quay trë l¹i sãng Rossby vÒ vÜ ®é ban ®Çu cña nã, b¶n sao xu h−íng håi phôc sinh ra trong chuyÓn ®éng sãng. L−u ý r»ng sù dÞch chuyÓn nμy lμ hoμn toμn thuËn nghÞch. Tuy nhiªn, khi sãng Rossby lan truyÒn lªn cao h¬n th× biªn ®é cña nã cã thÓ thay ®æi vμ cã thÓ dÉn tíi sù biÕn d¹ng kh«ng thuËn nghÞch ®èi víi ®−êng ®¼ng trÞ xo¸y thÕ hoÆc “ph¸ vì” nã. Ýt nhÊt cã hai c¬ chÕ ph¸ vì. C¬ chÕ thø nhÊt ho¹t ®éng thËm chÝ khi [u] b»ng h»ng sè; theo ph−¬ng tr×nh (6.45) biªn ®é t¨ng theo hμm mò theo ®é cao khi sãng lan truyÒn ®Õn c¸c mùc mμ ë ®ã cã mËt ®é nhá h¬n. MËt ®é ho¹t ®éng cña sãng ®−îc b¶o toμn khi sãng lan truyÒn ®Õn c¸c mùc cao h¬n, nh−ng sù dÞch chuyÓn trung b×nh cña phÇn tö khÝ t¨ng. §iÒu ®ã cã nghÜa lμ trªn mùc nhÊt ®Þnh, gi¶ thiÕt tuyÕn tÝnh kh«ng tho¶ m·n. §Æc biÖt, ®iÒu ®ã sÏ xÈy ra khi sù dÞch kinh h−íng cña phÇn tö khÝ trë nªn t−¬ng ®−¬ng víi b−íc sãng. Trong h×nh thÕ ®ã, c¸c ®−êng ®¼ng trÞ xo¸y thÕ bÞ biÕn d¹ng m¹nh, vμ xo¸y thÕ bÞ kÐo thμnh c¸c d¶i dμi. C¸c d¶i dμi ®ã lμ bÊt æn ®Þnh chÝnh ¸p vμ cã thÓ bÞ chia thμnh c¸c xo¸y riªng biÖt. Sù bÊt æn ®Þnh cã nghÜa lμ sù biÕn d¹ng cña c¸c ®−êng ®¼ng trÞ xo¸y thÕ nhanh chãng trë nªn kh«ng thuËn nghÞch. C¸c qu¸ tr×nh trªn tan cã thÓ ho¹t ®éng ®èi víi c¸c nhiÔu ®éng quy m« nhá vμ san b»ng c¸c tr−êng xo¸y thÕ. Nh÷ng qu¸ tr×nh ®ã kh«ng dÔ dμng m« t¶ b»ng c¸c m« h×nh gi¶i tÝch vμ sù gi¶m nhanh cña quy m« lμm cho chóng rÊt khã ®−îc ®−a vμo biÓu diÔn trong m« h×nh sè. KÕt qu¶ c¸c chi tiÕt cña c¸c qu¸ tr×nh b·o hoμ kh«ng ®−îc hiÓu ®Çy ®ñ. Tuy nhiªn, hiÖu øng trªn sÏ x¸o trén xo¸y thÕ trong toμn bé vïng cã sãng Rossby b·o hoμ sinh ra mét vïng réng mμ ë miÒn «n ®íi n¬i gradien xo¸y thÕ lμ nhá. C¬ chÕ gi¸n ®o¹n thø hai cã thÓ liªn quan tíi lan truyÒn kinh h−íng hoÆc lan truyÒn th¼ng ®øng, vμ x¶y ra khi giã vÜ h−íng biÕn ®æi theo ®é cao. §Æc biÖt, nÕu [u] ®æi dÊu th× mét ®−êng tíi h¹n, nh− ®· nãi tíi trong Ch−¬ng 6, sÏ liªn quan víi vÞ trÝ cña c¸c ®iÓm, t¹i ®ã [u] = 0. Khi sãng Rossby tiÖm cËn víi mét ®−êng tíi h¹n th× biªn - 263 -
®é cña sãng t¨ng theo chiÒu cao vμ vËn tèc nhãm sÏ gi¶m. C¸c gi¶ thiÕt vÒ ®é tuyÕn tÝnh sÏ kh«ng ®−îc tháa m·n vμ sù ph©n chia kh«ng thuËn nghÞch vμ sù x¸o trén cña tr−êng xo¸y thÕ sÏ xuÊt hiÖn; sãng Rossby sÏ bÞ gi¸n ®o¹n theo c¸ch nh− khi biªn ®é t¨ng khi cã sù gi¶m cña mËt ®é. Cã sù t−¬ng tù gi÷a sù b·o hoμ vμ sù tiªu t¸n cña c¸c sãng Rossby lan truyÒn theo ph−¬ng th¼ng ®øng vμ t¸c ®éng næi bËt cña sãng träng tr−êng bÒ mÆt trong vïng n−íc s©u khi chóng tiÕn ®Õn s¸t bê biÓn tho¶i dèc. Khi sãng lan truyÒn vμo vïng n−íc n«ng th× chóng trë nªn nghiªng h¬n. Cuèi cïng sãng trë nªn biÕn d¹ng m¹nh vμ tan biÕn. §iÒu ®ã cã nghÜa lμ sù thay thÕ ®é s©u cña líp n−íc cã liªn quan víi chuyÓn ®éng cña sãng trë nªn kh«ng thuËn nghÞch, vμ x¶y ra qu¸ tr×nh thu hÑp cña quy m« chuyÓn ®éng. Sù t−¬ng tù nμy lμ c¬ së ®Ó nhiÒu t¸c gi¶ gi¶i thÝch sù gi¸n ®o¹n cña sãng Rossby trªn quy m« hμnh tinh ë phÇn gi÷a tÇng b×nh l−u, vμ xÐt ®Õn c¸c vïng cã gradien xo¸y thÕ nhá nh− "vïng trμn b×nh l−u." Trªn H×nh 9.8 lμ b¶n ®å ph©n bè xo¸y thÕ Ertel (xem ph−¬ng tr×nh (1.79)) trªn bÒ mÆt cã nhiÖt ®é thÕ vÞ lμ 850K trong mïa ®«ng B¾c B¸n CÇu. Xo¸y bÞ h¹n chÕ bëi dßng xiÕt trªn cao cho ®Õn khi tr−êng xo¸y thÕ ®¹t cùc ®¹i, bÞ biÕn d¹ng bëi sù lan truyÒn theo ph−¬ng th¼ng ®øng cña c¸c sãng Rossby phÇn lín cã sè sãng 1 hoÆc 2. Trªn Th¸i B×nh D−¬ng, mét d¶i dμi cã xo¸y thÕ cao bÞ t¸ch khái xo¸y chÝnh, vμ bÞ cuèn vμo vßng xo¸y ch«n èc. Vïng réng cã gradien xo¸y thÕ nhá, kh¸c th−êng ®ã ®−îc gäi lμ “vïng sãng thÇn”. H×nh 9.8 Xo¸y thÕ Ertel t¹i mÆt ®¼ng nhiÖt ®é thÕ vÞ 850K ngµy 03/12/1981, biÓu diÔn vÝ dô vÒ hiÖn t−îng gi¸n ®o¹n cña sãng hµnh tinh. Kho¶ng gi÷a c¸c ®−êng ®¼ng trÞ 10-4Km2kg-1s-1 (nghÜa lµ 100§TU), vïng ®Ëm chØ c¸c ®¹i l−îng n»m trong kho¶ng 300 vµ 400 §TU. §−êng vÜ tuyÕn bªn ngoµi lµ 30oN (Theo A.O’neill) Còng nh− sù hçn hîp xo¸y thÕ ë miÒn «n ®íi, sù gi¸n ®o¹n sãng Rossby cã xu h−íng t¨ng c−êng gradien cña xo¸y thÕ xung quanh xo¸y chÝnh vïng cùc. HiÖn t−îng nμy xuÊt hiÖn khi c¸c biÕn d¹ng yÕu ®èi víi t¹o xo¸y thμnh d¶i m¶nh dμi, ®· x¸o trén trong vïng sãng trμn, lμm cho c¸c l−ìi xo¸y tr¬n vμ s¾c nÐt h¬n tr−íc. HiÖu øng nμy - 264 -
kh¸ gièng víi c¬ chÕ chuyÓn ®æi t¹i c¸c mÊu nh« ra cña thùc vËt. Qu¸ tr×nh nμy lμ ®Æc biÖt quan träng vμo mïa ®«ng cña Nam B¸n CÇu, n¬i c¸c xo¸y Ýt bÞ biÕn d¹ng. Sù t¨ng gradien ë r×a xo¸y biÓu thÞ sù trao ®æi vËt chÊt vμ nhiÖt xo¸y vμ vïng sãng trμn. Vμo mïa ®«ng, nhiÖt trë nªn rÊt thÊp, vμ c¸c t¹p chÊt cßn l¹i cã thÓ tÝch lòy vμ c¸c ph¶n øng ho¸ häc x¶y ra, ngo¹i trõ sù x¸o trén vμ ®−îc vËn chuyÓn tíi c¸c vÜ ®é thÊp h¬n n¬i chóng bÞ ph©n ly bëi ¸nh s¸ng mÆt trêi. Sù t¹o thμnh "m¹ch chÆn" l¹nh ®ã lμ mét yÕu tè quan träng trong sù t¹o ra lç thñng tÇng «zon mμ mäi ng−êi ®Òu râ. B©y giê ta quay l¹i nghiªn cøu sù lan truyÒn theo ph−¬ng th¼ng ®øng cña sãng Rossby trong tÇng b×nh l−u. Ta cã thÓ sö dông lý thuyÕt tõ môc 6.5 trong ph¹m vi nhÊt ®Þnh ®Ó ph©n tÝch sù lan truyÒn cña sãng Rossby trong dßng vÜ h−íng U = U (y, z'). B»ng c¸ch t¹o ra mét phÐp xÊp xØ "biÕn ®æi chËm", ta cã thÓ theo dâi sù lan truyÒn cña sãng trong c¸c vïng cã U kh¸c nhau. Nh− ®· biÕt trong môc 6.5, vect¬ dßng Eliassen-Palm song song víi vËn tèc nhãm ®Þa ph−¬ng. Nh−ng trong ®iÒu kiÖn kh«ng ma s¸t, dõng vμ ®o¹n nhiÖt ta cã thÓ ¸p dông ®Þnh lý Eliassen-Palm vμ do ®ã dßng Eliasen-Palm ph¶i cã ®é ph©n kú b»ng kh«ng. B©y giê xÐt tr−êng hîp ®· m« t¶ trong H×nh 9.9, ta thÊy giã vÜ h−íng ®æi dÊu t¹i mét sè mùc trong tÇng b×nh l−u. Sãng dõng Rossby kh«ng thÓ lan truyÒn trong ®íi giã ®«ng. Chóng ®¹t cùc tiÓu vμ, nh− ®· biÕt tõ ph−¬ng tr×nh (6.54), dßng nhiÖt h−íng cùc cña chóng b»ng kh«ng. Trong khu vùc ®ã c¶     .F vμ F ®Òu b»ng kh«ng. Trong ®íi giã t©y, .F ph¶i b»ng kh«ng nh−ng F nh×n  chung kh¸c kh«ng. VÝ dô ®¬n gi¶n nhÊt lμ m« h×nh Charney-Drazin, F sÏ theo ph−¬ng th¼ng ®øng vμ kh«ng ®æi theo chiÒu cao. L©n cËn cña "mùc tíi h¹n" n¬i U = 0 ph¶i cã  sù héi tô rÊt lín cña F , do ®ã kh«ng thÓ ¸p dông ®−îc ®Þnh lý Eliassen-Palm. Gi¶ thiÕt lùc ma s¸t vμ nhiÖt l−îng cßn l¹i lμ nhá th× c¸ch gi¶i ®¬n gi¶n nhÊt lμ dù ®o¸n c¸c dßng sÏ trë nªn kh«ng dõng t¹i mùc nμy. Ph−¬ng tr×nh (9.6) cho ta thÊy r»ng tÝnh kh«ng ®øng im ®ã thÓ hiÖn qua sù t¨ng c−êng ®íi giã ®«ng t¹i mùc tíi h¹n. Do ®ã, nÕu cã dßng sãng kh«ng ®æi ho¹t ®éng trong ë phÇn d−íi tÇng b×nh l−u th× khu vùc giã ®«ng sÏ h¹ thÊp xuèng d−íi cho ®Õn khi lÊp ®Çy tÇng b×nh l−u. Qu¸ tr×nh nμy chÝnh lμ c¬ së cña c¸c lý thuyÕt hiÖn nay gi¶i thÝch nh÷ng ®ît nãng ®ét ngét trong tÇng b×nh l−u. Khi ®íi giã ®«ng ®−îc h×nh thμnh t¹i mùc cao h¬n (n¬i gi¶ thiÕt vÒ nhiÖt vμ kh«ng ma s¸t kh«ng tho¶ m·n vμ kh«ng thÓ ¸p dông ®Þnh lý Eliassen-Palm cho khÝ quyÓn), th× ë vïng giã ®«ng cã thÓ h¹ xuèng víi mét quy m« thêi gian ®éng lùc t−¬ng ®èi ng¾n. Khi hÖ thèng giã ®«ng h×nh thμnh th× ho¹t ®éng sãng sÏ thùc sù tan biÕn, vμ hÖ thèng giã t©y cã thÓ ®−îc håi phôc l¹i víi quy m« thêi gian bøc x¹ nhá h¬n. Sù t¨ng nhiÖt ®é cã liªn quan víi c¸c vßng hoμn l−u kinh h−íng duy tr× c©n b»ng giã nhiÖt khi giã vÜ h−íng thay ®æi. DÔ dμng thÊy r»ng trong tÇng b×nh l−u tÇng kÕt æn ®Þnh sÏ cã sù di chuyÓn cña kh«ng khÝ do sù biÕn ®æi lín cña nhiÖt ®é. - 265 -
H×nh 9.9 S¬ ®å minh häa sù lan truyÒn th¼ng ®øng cña sãng Rossby dõng vµo khu vùc giã ®«ng 9.3 Sù h×nh thμnh vμ vËn chuyÓn ¤zon Sù ph©n bè «zon trong tÇng b×nh l−u ®· ®−îc tr×nh bμy trong c¸c môc tr−íc. H×nh 9.10 biÓu diÔn sù ph©n bè toμn cÇu cña «zon nh− mét hμm cña vÜ ®é vμ ®é cao, trong khi ®ã H×nh 9.11 l¹i biÓu diÔn tæng l−îng «zon trong mét cét khÝ quyÓn trªn bÒ mÆt tr¸i ®Êt t¹i c¸c vÜ ®é kh¸c nhau vμ thêi gian kh¸c nhau trong n¨m. MËt ®é «zon th−êng lín nhÊt ë ®é cao kho¶ng 20-25 km trªn c¸c miÒn nhiÖt ®íi. Tuy nhiªn, t¹i c¸c vïng cùc tÇng «zon th−êng rÊt máng vμo mïa ®«ng vμ mïa xu©n, do ®ã tæng l−îng «zon trong mét cét khÝ b·o hßa sÏ ®¹t cùc ®¹i vμo mïa xu©n t¹i c¸c vÜ ®é cao. Ta ®· biÕt, "lç thñng tÇng «zon" gÇn ®©y ®· më réng vμo mïa xu©n ë Nam B¸n CÇu lμ do sù ph¸ hñy «zon cùc ®¹i vμo mïa xu©n ë c¸c vïng vÜ ®é cao cña Nam B¸n CÇu. Trong môc nμy ta sÏ xÐt c¸c ®Æc ®iÓm c¬ b¶n cña sù ph©n bè «zon b¾t ®Çu b»ng viÖc xem xÐt qu¸ tr×nh quang ho¸ t¹o «zon. Nh−ng ë phÇn d−íi trong tÇng b×nh l−u, quy m« thêi gian cña b×nh l−u kinh h−íng rÊt ng¾n so víi quy m« thêi gian c©n b»ng quang ho¸, vμ sù ph©n bè «zon thay ®æi m¹nh khi do sù vËn chuyÓn cña c¸c dßng khÝ. ¤zon h×nh thμnh do qu¸ tr×nh quang ho¸ ph©n ly c¸c ph©n tö «xy do t¸c ®éng cña tia cùc tÝm, vμ qu¸ tr×nh tiÕp theo lμ sù tæ hîp cña «xy tù do víi nguyªn tö «xy. ¤zon bÞ ph©n huû bëi t¸c ®éng cña ¸nh s¸ng mÆt trêi vμ mét sè chÊt xóc t¸c kh¸c nh− nguyªn tè hydr«xyl, NO vμ c¸c nguyªn tö Cl do ho¹t ®éng cña con ng−êi. - 266 -
H×nh 9.10 MÆt c¾t th¼ng ®øng vÜ ®é-®é cao cña ®é tËp trung «zon ®èi víi (a) th¸ng 1; (b) th¸ng 3, dùa trªn sè liÖu khÝ hËu CIRA cña Fleming vµ céng sù (1990). Kho¶ng gi÷a ®−êng ®¼ng trÞ lµ 1018ph©n tö/m3, vïng ®Ëm cã gi¸ trÞ v−ît qu¸ 3 x 1018 ph©n tö/m3 Trong phÇn lín tÇng b×nh l−u, tèc ®é h×nh thμnh vμ ph¸ huû «zon t−¬ng ®−¬ng víi quy m« thêi gian ®éng lùc, nªn «zon trong tÇng b×nh l−u ®ãng vai trß quan träng trong viÖc ph¸t sinh ra c¸c dÞ th−êng lín. T¸c ®éng qua l¹i gi÷a qu¸ tr×nh vËn chuyÓn vμ qu¸ tr×nh quang hãa nμy ®· t¹o ra nguyªn nh©n ®Èy m¹nh viÖc nghiªn cøu hoμn l−u tÇng b×nh l−u trong nh÷ng n¨m gÇn ®©y. Trong chuyªn kh¶o nμy, ta chØ ®i s©u nghiªn cøu nh÷ng kiÕn thøc rÊt c¬ b¶n vÒ qu¸ tr×nh quang ho¸ «zon trong tÇng b×nh l−u. H×nh 9.11 BiÓu thÞ vÜ ®é-thêi gian cña tÇng mËt ®é theo cét khÝ tÝnh trong ®¬n vÞ Dobson. Vïng ®Ëm lµ vïng kh«ng quan tr¾c ®−îc do kh«ng nhËn ®−îc ¸nh n¾ng mÆt trêi. §å thÞ lËp trªn sè liÖu TOMS trong thêi kú 1984-1988, trÝch tõ sè liÖu ®Þa vËt lý SERC. Ph¶n øng ho¸ häc ®Çu tiªn ®Ó t¹o ra «zon ®−îc gäi lμ "s¬ ®å Chapman", ®−îc Chapman t×m ra ®Çu tiªn vμo n¨m 1935. S¬ ®å bao gåm chuçi ph¶n øng lμ sù ph©n ly ph©n tö «xy bëi bøc x¹ l−îng tö ®ñ m¹nh O2 + hv  O + O (9.11) N¨ng l−îng cÇn thiÕt ®Ó quang ph©n ly ph©n tö «xy cho thÊy lμ ph¶n øng nμy chØ cã thÓ ho¹t ®éng ®èi víi b−íc sãng nhá h¬n 246nm. Nguyªn tö «xy ®−îc sinh ra do mét ph¶n øng m¹nh h¬n, vμ nhanh chãng kÕt hîp víi nhau thμnh c¸c ph©n tö thÝch hîp, trong ®ã cã ph©n tö (gåm hai nguyªn tö) «xy. Ph¶n øng ®Çu tiªn t¹o ra «zon lμ O + O2 + M  O3 + M (9.12) - 267 -
trong ®ã, M lμ ph©n tö thø ba, th−êng lμ N2 hoÆc O2. Ph©n tö thø ba nμy ®ãng vai trß lμ chÊt xóc t¸c. CÇn ph¶i cã mét xung l−îng d− ®Ó liªn kÕt O vμ O2 trong khi n¨ng l−îng vμ ®éng l−îng ®Òu b¶o toμn. Chapman còng ®· x¸c minh ph¶n øng ph©n hñy «zon; Sù c©n b»ng gi÷a c¸c qu¸ tr×nh ph©n huû vμ t¸i t¹o «zon sÏ x¸c ®Þnh mËt ®é tËp trung cña «zon, «zon t¹o thμnh trong ph−¬ng tr×nh (9.12) d−íi t¸c ®éng cña bøc x¹ mÆt trêi cã b−íc sãng nhá h¬n 1140 nm O3 + hv  O2 + O (9.13) Cuèi cïng, mét ph¶n øng kÕt hîp O vμ O3 t¹o thμnh hai ph©n tö O2 O3 + O  2O2 (9.14) Do mËt ®é cña c¶ O3 vμ O lμ rÊt thÊp nªn ph¶n øng cuèi cïng nμy t−¬ng ®èi chËm. C¸c ph¶n øng nμy cã thÓ ®−îc dïng ®Ó ®¸nh gi¸ mËt ®é c©n b»ng quang ho¸ cña «zon. §iÒu nμy dùa trªn ®Þnh luËt tËp trung khèi l−îng, ®Þnh luËt ®ã ®−îc ph¸t biÓu nh− sau: tèc ®é ph¶n øng cña hai qu¸ tr×nh lμ tû lÖ víi tÝch cña mËt ®é cña chóng. Tøc lμ, ®èi víi mét ph¶n øng ®¬n gi¶n cã d¹ng nh− sau A+BC (9.15) th× tèc ®é t¹o ra ph©n tö C ®−îc tÝnh nh− sau dn c  kn A n B (9.16) dt trong ®ã, nA, nB vμ nC gäi chung lμ c¸c mËt ®é sè, tøc lμ, sè l−îng ph©n tö trªn mét ®¬n vÞ thÓ tÝch, cña chÊt ph¶n øng A, B vμ C vμ k lμ tèc ®é ph¶n øng, th−êng lμ mét hμm cña nhiÖt ®é, víi ®é nhän lín. ¸p dung cho s¬ ®å Chapman, tõ ®Þnh luËt t¸c ®éng khèi l−îng ta tÝnh ®−îc mËt ®é sè cña ph©n tö «zon, n3, lμ 1/2 J k n  n3  n2  2 2 M  (9.17)  Jk    33 trong ®ã n2 vμ nM t−¬ng øng lμ mËt ®é sè cña ph©n tö «xy vμ chÊt xóc t¸c M, k2 vμ k3 t−¬ng øng lμ tèc ®é ph¶n øng cña c¸c ph−¬ng tr×nh (9.12) vμ (9.14) vμ J2, J3 lμ tèc ®é quang ph©n ly cã liªn quan tíi c¸c ph¶n øng (9.11) vμ (9.13). Tèc ®é quang ph©n ly nμy phô thuéc vμo sù ph©n bè cña «zon, v× chóng ®Æc tr−ng cho l−îng tia cùc tÝm ®Õn ®−îc vÞ trÝ ®ang xÐt. Mét phÇn tia cùc tÝm nμy sÏ bÞ O3 vμ O hÊp thô khi nã truyÒn qua tÇng cao h¬n cña khÝ quyÓn. Tèc ®é J2 t¨ng nhanh theo chiÒu cao so víi J3, do ®ã, tõ ph−¬ng tr×nh (9.17) ta sÏ t×m ®−îc gi¸ trÞ cùc ®¹i cña mËt ®é sè cña «zon trong tÇng b×nh l−u. Tuy nhiªn, s¬ ®å l¹i cho ta thÊy cã qu¸ nhiÒu «zon, vμ tÊt nhiªn kh«ng thÓ gi¶i thÝch cho c¸c ®Æc tr−ng ph©n bè nh− lμ sù xuÊt hiÖn cùc ®¹i vμo mïa xu©n. H¬n n÷a, s¬ ®å quang ho¸ còng cho ta thÊy sù ph©n bè «zon cã t−¬ng quan chÆt chÏ víi sù ph©n bè cña bøc x¹ sãng ng¾n. Cã hai d¹ng cña lý thuyÕt c©n b»ng quang ho¸ ®¬n gi¶n. Thø nhÊt lμ c¸c ph¶n øng ho¸ häc cã xóc t¸c, th−êng cuèn c¸c thμnh phÇn xóc t¸c cña khÝ quyÓn, cã thÓ lμm thay ®æi ph¶n øng ho¸ häc trong s¬ ®å Chapman. Thø hai lμ sù vËn chuyÓn khÝ quyÓn cã thÓ ph©n bè l¹i «zon. - 268 -
Sù biÕn d¹ng quan träng nhÊt vÒ mÆt ho¸ häc lμ chÊt xóc t¸c trong ph¶n øng ph©n huû «zon. Gi¶ sö c¸c chÊt ®ã lμ X. Khi ®ã qu¸ tr×nh ph©n hñy «zon ®−îc viÕt nh− sau X + O3  XO + O2 (9.18a) XO + O  X + O2 (9.18b) C¸c qu¸ tr×nh trªn chñ yÕu lμ ®Ó kÕt hîp O víi O3 t¹o thμnh ph©n tö O2, xóc t¸c X kh«ng bÞ ph©n hñy vμ tiÕp tôc tham gia vμo qu¸ tr×nh ph©n hñy «zon tiÕp theo. C¸c chÊt xóc t¸c quan träng nhÊt lμ OH, NO vμ Cl. OH ®−îc h×nh thμnh tù nhiªn bëi sù quang ph©n ly h¬i n−íc. NO còng b¾t nguån tõ tù nhiªn, ®ã lμ ®èt ®Ìn vμ quang ph©n ly amoniac vμ c¸c ho¹t ®éng vÞ sinh kh¸c t¹o ra hçn hîp N. Nã còng ®−îc t×m thÊy trong c¸c khÝ th¶i cña m¸y bay bay trong tÇng b×nh l−u. Cã ý kiÕn cho r»ng mét sè m¸y bay siªu tèc cã thÓ ¶nh h−ëng tíi tÇng «zon. Mét chÊt khÝ g©y nguy hiÓm nhiÒu nhÊt cho tÇng «zon lμ Cl, ®©y lμ lo¹i khÝ cã nguån gèc hoμn toμn nh©n t¹o vμ ®−îc h×nh thμnh tõ nhiÒu ph¶n øng phøc t¹p kh¸c nhau, b¾t ®Çu víi sù quang ph©n ly chÊt ho¸ häc cã tªn lμ chlorofluorocarbons. Cã thÓ ch¾c ch¾n r»ng cã mét lç hæng tÇng «zon lín ®−îc quan tr¾c vμo mïa xu©n ë Nam B¸n CÇu vμ mét lç hæng nhá h¬n quan tr¾c thÊy ë B¾c B¸n CÇu. Mét phÐp tÝnh vÒ mËt ®é c©n b»ng quang ho¸ cña «zon, chu tr×nh ph©n huû cã tÝnh ®Õn c¸c chÊt xóc t¸c, lμ mét chu tr×nh kh¸ phøc t¹p. C¸c qu¸ tr×nh quang ho¸ s¶n sinh ra chÊt xóc t¸c cung cÇn ®−îc ®−a vμo thèng kª nμy. H¬n n÷a, hiÖu øng ¶nh h−ëng cña chÊt xóc t¸c ®èi víi sù tËp trung «zon kh«ng chØ lμ kh¶ n¨ng xóc t¸c mμ cã sù t¸c ®éng gi÷a chóng víi nhau. Mét sè l−îng lín c¸c ph¶n øng nhiÒu ph¶n øng cã tèc ®é kh¸c nhau, nhanh chãng trë nªn cÇn thiÕt. H×nh 9.12 Ph©n bè c©n b»ng quang ho¸ cña «z«n vµo th¸ng 3. TÝnh to¸n ®−îc thùc hiÖn bëi J. Haigh (xem chi tiÕt trong m« h×nh cña Haigh, 1985). §−êng ®¼ng trÞ nh− chó thÝch trªn H×nh 9.10 H×nh 9.12 biÓu diÔn sù ph©n bè c©n b»ng quang ho¸ trung b×nh vÜ h−íng cña «zon trong mïa xu©n. MËt ®é ®¹t cùc ®¹i t¹i xÝch ®¹o, t¹i ®é cao 40-50km. §iÒu nμy lμ kh¸c xa so víi sù ph©n bè cña «zon trong tÇng b×nh l−u vμo thêi gian nμy trong n¨m, trªn H×nh 9.10 vμ 9.11. MËt ®é cùc ®¹i cña «zon ®−îc quan tr¾c thÊy t¹i c¸c vïng vÜ ®é cao ë b¸n cÇu mïa xu©n, t¹i c¸c mùc thÊp h¬n 20km. KÕt qu¶ nμy cho ta thÊy r»ng sù vËn - 269 -
chuyÓn «zon tõ c¸c vïng h×nh thμnh gÇn xÝch ®¹o ®Õn c¸c vïng cùc vμo mïa ®«ng vμ mïa xu©n lμ mét qu¸ tr×nh rÊt quan träng. Chó ý r»ng H×nh 9.11 kh«ng ph¶i lμ sù ph©n bè «zon æn ®Þnh ®èi víi mïa xu©n Nam B¸n CÇu v× nã chØ dùa trªn sè liÖu cña mét vμi n¨m vÒ tr−íc. Mùc «zon trong tÇng b×nh l−u vμo mïa xu©n hiÖn ®ang cã nguy c¬ bÞ suy gi¶m nghiªm träng trªn Nam Cùc, nguyªn nh©n lμ do khÝ quyÓn bÞ « nhiÔm bëi chÊt Clo do ho¹t ®éng cña con ng−êi. Trong chuyªn kh¶o nμy, chóng t«i chØ quan t©m ®Õn ¶nh h−ëng cña chuyÓn ®éng khÝ quyÓn tíi sù ph©n bè quy m« lín cña «zon. Trong phÇn trªn tÇng b×nh l−u, t¹i ®é cao kho¶ng 30km ®Õn 50km c©u tr¶ lêi lμ hoμn toμn khã kh¨n. T¹i c¸c mùc nμy, mËt ®é «zon ®¹t ®−îc c©n b»ng quang ho¸ cña nã trong mét thêi gian kh¸ ng¾n, tÊt nhiªn lμ ng¾n so víi kho¶ng thêi gian ®Ó khÝ quyÓn cã thÓ vËn chuyÓn «zon tõ b×nh l−u ®Õn c¸c vïng mμ ë ®ã nhiÖt ®é, ¸p suÊt hoÆc chÕ ®é bøc x¹ kh¸c nhau ®¸ng kÓ. ë phÇn d−íi tÇng b×nh l−u, c¸c tèc ®é quang ho¸ trë nªn nhá nªn thêi gian cÇn ®Ó ®¹t ®−îc c©n b»ng quang ho¸ sÏ lμ kho¶ng vμi tuÇn, dμi h¬n nhiÒu so víi quy m« thêi gian ®éng lùc ®Æc tr−ng. Khi ®ã, ë phÇn d−íi tÇng b×nh l−u, «zon sÏ ®−îc vËn chuyÓn gÇn nh− hoμn toμn c¸c chÊt b¶o toμn cßn l¹i. Thùc tÕ sù tËp trung mËt ®é «zon lín nhÊt cña «zon lμ ë phÇn d−íi tÇng b×nh l−u, chøng tá sù vËn chuyÓn «zon tõ c¸c vïng s¶n sinh «zon lμ mét qu¸ tr×nh rÊt quan träng. H¬n n÷a, tæng l−îng «zon d− thõa trong mét cét khÝ quyÓn ®¹t cùc ®¹i t¹i c¸c vÜ ®é cao trong mïa xu©n, n¬i tèc ®é s¶n sinh quang ho¸ vÉn ®−îc cho lμ rÊt thÊp; vμ kh«ng cã ®ñ quang n¨ng ®Ó s¶n sinh «zon do ph¶n øng quang ho¸ vÉn ®−îc cho lμ rÊt thÊp; vμ kh«ng cã ®ñ kh¶ n¨ng ®Ó s¶n sinh l−îng «zon lín quan tr¾c ®−îc. Mét lÇn n÷a ta thÊy ph¶i cã sù vËn chuyÓn l−îng «zon ®¸ng kÓ tõ c¸c vïng vÜ ®é thÊp h¬n. H×nh 9.13 S¬ ®å minh ho¹ hoµn l−u Brewer-Dobson dïng ®Ó gi¶i thÝch sù ph©n bè quan tr¾c ®−îc víi c¸c chÊt xóc t¸c trong phÇn d−íi tÇng b×nh l−u Hoμn l−u ‘Brewer-Dobson’ ®−îc ®Ò xuÊt vμo nh÷ng n¨m 40 cña thÕ kû 20 ®Ó gi¶i thÝch cho sù ph©n bè cña «zon quan tr¾c ®−îc vμ c¸c thμnh phÇn kh¸c cßn l¹i trong - 270 -
phÇn d−íi tÇng b×nh l−u. Hoμn l−u nμy ®−îc minh häa trªn H×nh 9.13 víi mét vßng hoμn l−u kinh h−íng ë mçi b¸n cÇu, víi kh«ng khÝ th¨ng lªn b×nh l−u t¹i c¸c miÒn nhiÖt ®íi, chuyÓn ®éng h−íng cùc, chuyÓn ®éng gi¸ng vμ quay trë l¹i tÇng ®èi l−u t¹i c¸c vïng vÜ ®é cao. Mét hoμn l−u khèi l−îng nh− vËy sÏ vËn chuyÓn «zon tõ vïng s¶n sinh ë nhiÖt ®íi vμ tÝch luü nã ë c¸c vïng cùc, ®iÒu nμy gi¶i thÝch cho gi¸ trÞ cùc ®¹i ë vïng cùc vμo mïa xu©n. TÊt nhiªn mét hoμn l−u nh− vËy, suy luËn tõ mËt ®é cña c¸c thμnh phÇn cßn l¹i, ®−îc gäi lμ hoμn l−u Lagrangian. Thö nghiÖm suy luËn hoμn l−u kinh h−íng tõ tèc ®é ®èt nãng vμ c¸c dßng nhiÖt vμ dßng ®éng l−îng cña xo¸y, nh− ®· tr×nh bμy trong Ch−¬ng 4, ta thu ®−îc mét hoμn l−u trung b×nh Eulerian kh¸c. Tõ nh÷ng sai lÇm ®ã nªn ta cÇn ph¶i theo dâi hoμn l−u ‘Brewer-Dobson’ trong mét thêi gian dμi ®Ó hiÖu chØnh. Trong thêi gian gÇn ®©y, ®· cã rÊt nhiÒu sù ®æi míi quan niÖm vÒ hoμn l−u Eulerian vμ c¸c xÊp xØ cña nã, ®ã lμ hoμn l−u trung b×nh ®¼ng nhiÖt ®é thÕ vÞ hoÆc hoμn l−u nh− ®· giíi thiÖu trong môc tr−íc. MËt ®é cña «zon trong phÇn tö kh«ng khÝ cã thÓ ®−îc tÝnh theo c«ng thøc c 3  c  v.c 3  w 3  C 3 (9.19) t z trong ®ã, c3 lμ tû sè x¸o trén cña «zon, C3 biÓu thÞ tèc ®é t¸i t¹o hay ph©n hñy quang ho¸ «zon. Chó ý r»ng nÕu c3 biÓu thÞ tû sè hçn hîp thÓ tÝch th× nã sÏ lû lÖ thuËn víi mËt ®é sè ph©n tö sè n3 trong ph−¬ng tr×nh (9.17). Theo lý thuyÕt, C3 sÏ ®−îc viÕt l¹i thμnh c¸c sè h¹ng cña mËt ®é c©n b»ng cE vμ quy m« thêi gian quang ho¸ E c  c3 C3  E (9.20) E c3 gi¶m theo cE theo quy luËt hμm mò víi qui m« thêi gian E. §iÒu kiÖn nμy sÏ ®−îc tho¶ m·n nÕu c3 kh«ng kh¸c qu¸ nhiÒu so víi cE vμ cã thÓ lμ mét phÐp sÊp xØ h÷u Ých ®èi víi môc ®Ých gi¸o dôc. L−u ý r»ng ph−¬ng tr×nh (9.19) ®−îc coi nh− mét d¹ng ph−¬ng tr×nh nhiÖt ®éng lùc lμ c¸c sè h¹ng cña ; ®¹o hμm c3 kh«ng ¶nh h−ëng trùc tiÕp ®Õn chuyÓn ®éng cña khÝ quyÓn nh− . LÊy trung b×nh vÜ h−íng ph−¬ng tr×nh (9.19) c 3  c  c   * *     1  v  3  w  3   R w * c 3  C 3  v c3  * (9.21) t y z y  R z Khã cã thÓ ®−a ra mét c¸ch nμo ®Ó lμm ®¬n gi¶n h¬n ph−¬ng tr×nh nμy. Trong tr−êng hîp ®Æc biÖt, mËt ®é cña «zon thay ®æi rÊt nhanh theo ®é cao, cho nªn ta kh«ng cÇn gi¶i thÝch viÖc bá qua c¸c sè h¹ng b×nh l−u th¼ng ®øng nh− ta ®· lμm víi ph−¬ng tr×nh nhiÖt ®éng lùc trong quy m« tùa ®Þa chuyÓn. C¸c sè h¹ng kh¸c nhau trong ph−¬ng tr×nh vËn chuyÓn nμy rÊt khã −íc l−îng tõ sè liÖu quan tr¾c do ®ã [v] vÒ trÞ sè sÏ b»ng O(Ro), vμ chuyÓn ®éng th¼ng ®øng thËm chÝ bÞ triÖt tiªu trong tÇng b×nh l−u nhiÒu h¬n trong tÇng ®èi l−u do ë ®©y tÇng kÕt rÊt æn ®Þnh. Khi −íc l−îng ®¸nh gi¸ c¸c sè h¹ng ta thÊy cã mét sù triÖt tiªu lÉn nhau gi÷a sù vËn chuyÓn bëi hoμn l−u trung b×nh vμ bëi c¸c xo¸y. §iÒu nμy liªn quan chÆt chÏ víi nhiÖt l−îng trong tÇng b×nh l−u, nh− ®· ®−îc th¶o luËn trong phÇn tr−íc; c¸c dßng nhiÖt trung b×nh vμ dßng nhiÖt xo¸y d−êng nh− bÞ triÖt tiªu. - 271 -