Luận văn thạc sĩ : Nghiên cứu, đánh giá các sol khí sunfat, cacbon đen và cacbon hữu cơ ảnh hưởng tới nhiệt độ và lượng mưa khu vực

Chia sẻ: Phạm Huy | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:82

Thêm vào BST

Báo xấu

153
lượt xem 29
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Ngày nay nghiên cứu các tác động ảnh hưởng tới khí hậu và biến đổi khí hậu là một trong những vấn đề quan trọng của khí tượng và ngày càng được nhiều nhà khoa học quan tâm. Nhiều nghiên cứu của các nhà khoa học đã chỉ ra rằng thành phần hóa học của khí quyển đã thay đổi và chúng có mối liên hệ trực tiếp hoặc gián tiếp với các điều kiện thời tiết, khí hậu ở quy mô toàn cầu, khu vực....

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn thạc sĩ : Nghiên cứu, đánh giá các sol khí sunfat, cacbon đen và cacbon hữu cơ ảnh hưởng tới nhiệt độ và lượng mưa khu vực

LUẬN VĂN THẠC SỸ NGHIÊN CỨU, ĐÁNH GIÁ CÁC SOL KHÍ SUNFAT, CACBON ĐEN VÀ CACBON HỮU CƠ ẢNH HƯỞNG TỚI NHIỆT ĐỘ VÀ LƯỢNG MƯA KHU VỰC
LỜI CẢM ƠN Trước tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn tới thầy hướng dẫn luận văn của tôi, Tiến sĩ Nguyễn Văn Thắng, đã tạo mọi điều kiện, động viên và giúp đỡ tôi hoàn thành tốt luận văn này. Tôi cũng xin chân thành cảm ơn tới phó giáo sư, Tiến sĩ Phan Văn Tân. Trong suốt quá trình nghiên cứu, thầy đã kiên nhẫn hướng dẫn, trợ giúp và động viên tôi rất nhiều. Sự hiểu biết sâu sắc về khoa học, cũng như kinh nghiệm của thầy chính là tiền đề giúp tôi đạt được những thành tựu và kinh nghiệm quý báu. Tôi xin cảm ơn Tiến sĩ Hồ Minh Hà, Tiến sĩ Bùi Hoàng Hải và người bạn Lương Mạnh Thắng đã quan tâm, giúp đỡ, thảo luận và đưa ra những chỉ dẫn, đề nghị cho luận văn của tôi. Xin cám ơn Khoa Khí tượng Thủy văn và Hải dương học, Phòng sau đại học, Trường đại học Khoa học Tự Nhiên đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi làm việc trên khoa để tiến hành tốt luận văn. Tôi cũng xin cảm ơn bạn bè và gia đình đã luôn bên tôi, cổ vũ và động viên tôi những lúc khó khăn để có thể vượt qua và hoàn thành tốt luận văn này. Tôi xin chân thành cảm ơn! 1
MỤC LỤC MỤC LỤC ........................................................................................................................ 2 MỤC LỤC BẢNG ............................................................................................................ 4 MỤC LỤC HÌNH.............................................................................................................. 5 MỞ ĐẦU .......................................................................................................................... 8 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ SOL KHÍ VÀ MÔ HÌNH RegCM .................................. 9 1.1. TỔNG QUAN VỀ SOL KHÍ ..................................................................................... 9 1.1.1. Các loại sol khí tác động mạnh tới hệ thống khí hậu của Trái đất................ 11 1.1.1.1. Sol khí núi lửa......................................................................................... 11 1.1.1.2. Bụi sa mạc.............................................................................................. 12 1.1.1.3. Sol khí tạo bởi con người ........................................................................ 13 1.1.2. Sol khí tác động lên hệ thống khí hậu của Trái đất ....................................... 13 1.1.2.1. Tác động của sol khí lên nhiệt độ bề mặt................................................. 15 1.1.2.2. Tác động của sol khí lên mây và giáng thủy ............................................ 16 1.1.2.3. Tác động của sol khí lên Albedo bề mặt và năng lượng bức xạ mặt trời tới bề mặt trái đất ......................................................................................................... 23 1.1.2.4. Ảnh hưởng của sol khí lên hoàn lưu khí quyển ........................................ 25 1.2. TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH RegCM3 .................................................................. 26 1.2.1. Giới thiệu về mô hình RegCM3 ...................................................................... 26 1.2.2. Lịch sử của RegCM......................................................................................... 28 1.2.3. Động lực học .................................................................................................... 32 1.2.3.1. Phương trình động lượng phương ngang ................................................ 32 . 1.2.3.2. Phương trình liên tục và phương trình  ............................................... 33 1.2.3.3. Phương trình nhiệt động lực và phương trình Omega() ........................ 33 1.2.3.4. Phương trình thủy tĩnh............................................................................ 34 1.2.4. Các sơ đồ vật lí ................................................................................................ 34 1.2.4.1. Sơ đồ bức xạ........................................................................................... 34 1.2.4.2. Mô hình bề mặt đất................................................................................. 35 1.2.4.3. Lớp biên hành tinh.................................................................................. 36 1.2.4.4. Sơ đồ giáng thủy đối lưu......................................................................... 37 1.2.4.5. Sơ đồ giáng thủy qui mô lớn ................................................................... 37 1.2.4.6. Tham số hóa thông lượng đại dương....................................................... 38 1.2.4.7. Sơ đồ Gradient khí áp............................................................................. 38 1.2.4.8. Mô hình hồ ............................................................................................. 38 2
1.2.4.9. Sinh quyển .............................................................................................. 39 1.2.4.10. Thể nước............................................................................................. 40 1.2.4.11. Sol khí và hóa học khí quyển ............................................................... 40 1.2.4.12. Điều kiện ban đầu và điều kiện biên .................................................... 41 1.3. MỤC TIÊU CHÍNH CỦA LUẬN VĂN .................................................................. 41 CHƯƠNG 2. MÔ HÌNH VÀ THIẾT KẾ THÍ NGHIỆM ................................................. 42 2.1. SOL KHÍ SULFAT VÀ CACBON TRONG MÔ HÌNH RegCM3 ........................... 42 2.1.1. Phương trình tỉ lệ xáo trộn.............................................................................. 42 2.1.2. Sol khí Sulfat ................................................................................................... 42 2.1.3. Sol khí Cacbon................................................................................................. 47 2.1.4. Các điều kiện biên cho SOx và sol khí Cacbon .............................................. 48 2.1.5. Tác động trực tiếp và gián tiếp của sol khí..................................................... 49 2.1.5.1. Hấp thụ và Tác động bán trực tiếp của Cacbon đen................................ 50 2.1.5.2. Tác động gián tiếp loại 1 ........................................................................ 51 2.1.5.3. Tác động gián tiếp loại 2 ........................................................................ 52 2.2. THU THẬP SỐ LIỆU ĐẦU VÀO CHO MÔ HÌNH RegCM ................................... 56 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ TÍNH TOÁN VÀ PHÂN TÍCH................................................ 58 3.1. THIẾT KẾ THÍ NGHIỆM ....................................................................................... 58 3.2. LỰA CHỌN MIỀN TÍNH ....................................................................................... 58 3.3. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM........................................................................................ 60 3.3.1. Đánh giá khả năng mô phỏng của mô hình dự báo khí hậu khu vực RegCM3 60 3.3.2. Tác động của sol khí khí quyển của khu vực.................................................. 61 3.3.2.1. Cán cân thuần bức xạ (Radiation Forcing) ............................................. 61 3.3.2.2. Nhiệt độ và lượng mưa ........................................................................... 68 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ......................................................................................... 80 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................... 81 3
MỤC LỤC BẢNG Bảng 1.a. Những tác động gián tiếp khác nhau của sol khí và hiệu ứng biến đổi thông lượng bức xạ tại đỉnh khí quyển...................................................................................... 19 Bảng 1.1.b. Những tác động gián tiếp khác nhau của sol khí và ảnh hưởng của nó tới bức xạ sóng ngắn tại bề mặt đất (cột 2 đến cột 4) và tới giáng thuỷ (cột 5 đến cột 7) .............. 19 Bảng 2.1. Bốn trường hợp thử nghiệm trong mô hình dự báo khí hậu RegCM .......... Error! Bookmark not defined. Bảng 3.1. Trung bình toàn miền cán cân thuần bức xạ tại đỉnh khí quyển, bề mặt và khí quyển trong 4 tháng đặc trưng cho bốn mùa (Đơn vị: W/m2)........................................... 65 Bảng 3.2. Trung bình lượng mây phủ ở mực dưới 750mb (Đơn vị: phần trăm) ................ 66 4
MỤC LỤC HÌNH Hình 1.1. Núi lửa Pinatubo phun trào và hàng tấn sol khí bị đưa vào khí quyển (1991) ...... 1 Hình 1.2. Sol khí núi lửa.................................................................................................... 1 Hình 1.3. Bụi sa mạc ......................................................................................................... 1 Hình 1.4. Sol khí tạo bởi con người ................................................................................... 1 Hình 1.5. Những cơ chế bức xạ khác nhau của mây gây ra bởi sol khí. ........................... 15 Hình 1.6. Tác động của mật độ hạt mây đến độ phản xạ của mây (albedo)......................... 1 Hình 1.7. Mô tả những tác động khác nhau của sol khí đã được trình bày trong bảng 1.... 21 Hình 1.8. Lưới phương thẳng đứng của mô hình RegCM................................................. 30 Hình 1.9. Lưới ngang dạng xen kẽ dạng B - Arakawa - Lamb của mô hình...................... 32 Hình 2.1. Sự biến đổi của Pautocv, tốc độ tự động chuyển đổi ............................................ 56 Hình 3.1. Miền tính khu vực Đông Nam Á ...................................................................... 59 Hình 3.2. Mô hình mô mô phỏng nhiệt độ trung bình tháng và lượng mưa....................... 60 trung bình toàn miền so với quan trắc .............................................................................. 60 Hình 3.3. Mô hình mô phỏng lượng mưa trung bình toàn miền........................................ 61 so với quan trắc ............................................................................................................... 61 Hình 3.4. Mô phỏng cán cân thuần bức xạ tại đỉnh khí quyển .......................................... 62 Trong trường hợp sol khí SOx ......................................................................................... 62 Hình 3.5. Mô phỏng cán cân thuần bức xạ tại bề mặt....................................................... 62 Trong trường hợp sol khí SOx ......................................................................................... 62 Hình 3.6. Mô phỏng cán cân thuần bức xạ của khí quyển................................................. 62 Trong trường hợp sol khí SOx ......................................................................................... 62 Hình 3.7. Mô phỏng cán cân thuần bức xạ tại đỉnh khí quyển .......................................... 63 Trong trường hợp sol khí BC........................................................................................... 63 Hình 3.8. Mô phỏng cán cân thuần bức xạ tại bề mặt....................................................... 63 5
Trong trường hợp sol khí BC........................................................................................... 63 Hình 3.9. Mô phỏng cán cân thuần bức xạ của khí quyển................................................. 63 Trong trường hợp sol khí BC........................................................................................... 63 Hình 3.10. Mô phỏng cán cân thuần bức xạ tại đỉnh khí quyển ........................................ 64 Trong trường hợp sol khí hữu cơ ..................................................................................... 64 Hình 3.11. Mô phỏng cán cân thuần bức xạ tại bề mặt ..................................................... 64 Trong trường hợp sol khí hữu cơ ..................................................................................... 64 Hình 3.12. Mô phỏng cán cân thuần bức xạ của khí quyển............................................... 64 Trong trường hợp sol khí hữu cơ ..................................................................................... 64 Hình 3.13. Trung bình lượng mây phủ ở mực dưới 750mb .............................................. 67 Hình 3.14. Chênh lệch nhiệt độ và lượng mưa trung bình toàn miền của 3 trường hợp có tính đến tác động của sol khí so với trường hợp chuẩn, không tính đến sol khí a) nhiệt độ trung bình toàn miền (0C), b) lượng mưa trung bình toàn miền (mm/tháng) ..................... 68 Hình 3.15a. Mô phỏng nhiệt độ và lượng mưa của tỉnh Lai Châu năm 2000 ................... 69 Hình 3.15b. Mô phỏng nhiệt độ và lượng mưa của tỉnh Điện Biên năm 2000................... 70 Hình 3.15c. Mô phỏng nhiệt độ và lượng mưa của tỉnh Sơn La năm 2000 ....................... 70 Hình 3.16a. Mô phỏng nhiệt độ và lượng mưa của tỉnh Bắc Quang năm 2000 ................. 71 Hình 3.16b. Mô phỏng nhiệt độ và lượng mưa của tỉnh Sa Pa năm 2000.......................... 71 Hình 3.16c. Mô phỏng nhiệt độ và lượng mưa của tỉnh Cao Bằng năm 2000 ................... 72 Hình 3.16d. Mô phỏng nhiệt độ và lượng mưa của tỉnh Bắc Cạn năm 2000 ..................... 72 Hình 3.16e. Mô phỏng nhiệt độ và lượng mưa của tỉnh Lạng Sơn năm 2000.................... 72 Hình 3.16g. Mô phỏng nhiệt độ và lượng mưa của tỉnh Móng Cái năm 2000 ................... 73 Hình 3.17a. Mô phỏng nhiệt độ và lượng mưa của Hà Nội năm 2000 ............................. 74 Hình 3.17b. Mô phỏng nhiệt độ và lượng mưa của tỉnh Nam Định năm 2000 ................. 74 Hình 3.17c. Mô phỏng nhiệt độ và lượng mưa của tỉnh Thanh Hóa năm 2000 ................ 74 Hình 3.18a. Mô phỏng nhiệt độ và lượng mưa của Vinh năm 2000................................. 75 6
Hình 3.18b. Mô phỏng nhiệt độ và lượng mưa của tỉnh Đồng Hới năm 2000 .................. 75 Hình 3.18c. Mô phỏng nhiệt độ và lượng mưa của Huế năm 2000 .................................. 76 Hình 3.19a. Mô phỏng nhiệt độ và lượng mưa Đà Nẵng năm 2000 ................................. 76 Hình 3.19b. Mô phỏng nhiệt độ và lượng mưa Quy Nhơn năm 2000 .............................. 77 Hình 3.20a. Mô phỏng nhiệt độ và lượng mưa PlayCu năm 2000 ................................... 77 Hình 3.20b. Mô phỏng nhiệt độ và lượng mưa Buôn Mê Thuột năm 2000 ...................... 78 Hình 3.20c. Mô phỏng nhiệt độ và lượng mưa Đà Lạt năm 2000 .................................... 78 Hình 3.21a. Mô phỏng nhiệt độ và lượng mưa Cần Thơ năm 2000 ................................. 79 Hình 3.21b. Mô phỏng nhiệt độ và lượng mưa Ca Mau năm 2000 .................................. 79 7
MỞ ĐẦU Ngày nay nghiên cứu các tác động ảnh hưởng tới khí hậu và biến đổi khí hậu là một trong những vấn đề quan trọng của khí tượng và ngày càng được nhiều nhà khoa học quan tâm. Nhiều nghiên cứu của các nhà khoa học đã chỉ ra rằng thành phần hóa học của khí quyển đã thay đổi và chúng có mối liên hệ trực tiếp hoặc gián tiếp với các điều kiện thời tiết, khí hậu ở quy mô toàn cầu, khu vực. Sol khí là một trong tác nhân quan trọng gây nên những thay đổi hóa học của khí quyển, thay đổi quá trình hình thành mây, phản xạ và hấp thụ năng lượng bức xạ gây nên những biến đổi trong hệ thống thời tiết – khí hậu. Từ những tác động của sol khí lên hệ thống khí hậu, gây biến đổi khí hậu, chúng ảnh hưởng gián tiếp tới các lĩnh vực kinh tế xã hội, môi trường. Vì những lý do nêu trên, Tổ chức Khí tượng thế giới (WMO) đã chọn chủ đề cho ngày khí tượng thế giới năm 2009 là “Thời tiết, khí hậu và không khí chúng ta đang thở”. Để đánh giá tác động của sol khí lên hệ thống khí hậu – thời tiết cho khu vực Đông Nam Á, luận văn đã tiến hành nghiên cứu, đánh giá các sol khí Sunfat, Cacbon đen và Cacbon hữu cơ ảnh hưởng tới nhiệt độ và lượng mưa khu vực. 8
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ SOL KHÍ VÀ MÔ HÌNH RegCM 1.1. TỔNG QUAN VỀ SOL KHÍ Sol khí là các phần tử nhỏ lơ lửng trong khí quyển. Chúng ta có thể nhận thấy sự hiện diện của sol khí khi chúng đủ lớn thông qua sự phân tán và hấp thụ tia bức xạ mặt trời của sol khí. Sự phân tán bức xạ mặt trời của sol khí có thể làm giảm khả năng nhìn và làm ửng đỏ khi mặt trời mọc và lặn. Những sol khí này có nhiều nguồn gốc, có thể là nguồn gốc tự nhiên như từ đất, từ muối biển, từ các đám cháy thực vật hoặc cũng có thể do con người tạo ra từ việc đốt cháy các chất thải, nhiên liệu than và dầu trong các khu công nghiệp, tạo ra các phần tử sulfat, cacbon đen,... Sol khí tác động trực tiếp và gián tiếp lên trữ lượng bức xạ của Trái Đất và khí hậu. Tác động trực tiếp là các sol khí trực tiếp phân tán và hấp thụ các tia xạ bức xạ mặt trời trong không gian. Tác động gián tiếp là khi sol khí ở tầng thấp của khí quyển có thể làm thay đổi kích cỡ của các phần tử mây, làm thay đổi phản xạ và hấp thụ bức xạ mặt trời của mây, và như vậy tác động lên trữ lượng năng lượng của Trái Đất. Sol khí cũng có thể gây ra các phản ứng hóa học. Đáng kể nhất là phản ứng có tác động phá Hình 1.1. Núi lửa Pinatubo phun trào và hàng tấn sol khí bị đưa vào khí quyển (1991) hoại ozon ở tầng bình lưu. Trong (theo thống kê của Mỹ 1995) suốt mùa đông ở các khu vực cực, 9
sol khí phát triển hình thành các đám mây bụi ở tầng bình lưu cực. Các phản ứng hóa học xảy ra ở khu vực tập trung nhiều các phần tử mây bụi. Các phản ứng này chủ yếu là phản ứng Clo và cuối cùng chúng phá hủy ozon ở tầng bình lưu. Chứng cớ cho sự phá hủy tầng ozon này là hiện tại đang tồn tại các thay đổi tập trung của ozon trong tầng bình lưu tương tự như đã xảy ra khi có sự phun trào núi lửa lớn, giống như năm 1991, núi Pinatubo phun trào và hàng tấn sol khí bị đưa vào khí quyển (Hình 1.1). Một lượng lớn SO2, HCl và tro bụi được đưa vào tầng bình lưu của khí quyển Trái đất khi núi lửa phun trào. Trong hầu hết các trường hợp HCl ngưng tụ với hơi nước và theo mưa rơi khỏi đám mây hình thành bởi phun trào núi lửa, còn SO2 từ đám mây được chuyển đổi thành H2SO4. Axit H2SO4 nhanh chóng ngưng tụ lại và các phần tử sol khí này sẽ tồn tại trong khí quyển trong một khoảng thời gian. Tương tác hóa học lên bề mặt của sol khí có xu hướng tăng mức độ Clo, Clo tương tác với Nito ở tầng bình lưu, đây chính là nguyên nhân chủ yếu trong phá hủy lớp ozon ở tầng bình lưu. Đường kính sol khí trải từ vài nanomet (nm) tới hàng chục micromet (µm). Kích cỡ của sol khí được chia ra làm 3 cấp. Cấp có kích cỡ nhỏ nhất gọi là các phần tử cực nhỏ (nhỏ hơn khoảng 0,1µm) chủ yếu phát sinh từ chuyển đổi các phần tử khí như khí SO2, NOx và Cacbon hữu cơ dễ bay hơi bị oxi hóa và ngưng tụ lại. Cấp có đường kính lớn nhất được gọi là phần tử thô (xấp xỉ 1µm) được tạo ra rất cơ học, gió thổi trên khu vực bụi hoặc bốc hơi từ bụi nước biển,… Giữa các phần tử cực nhỏ và phần tử thô là phần tử nhỏ cỡ 0,1 đến 1µm. Dạng này được quy cho là dạng tích tụ vì các sol khí ở kích thước này tích tụ từ các phần tử cực nhỏ và có xu hướng tồn tại lâu dài trong khí quyển (vài ngày) bởi lắng động chậm và tốc độ tích tụ. Dạng này liên quan chủ yếu tới trữ lượng năng lượng Trái Đất và biến đổi khí hậu bởi tương tác của chúng với bức xạ mặt trời, (hầu hết năng lượng bức xạ ở trong khoảng phổ cỡ 0,5 µm), và các phần tử này cũng có kích cỡ tương tự như sóng dài phân tán ánh sáng, nhân ngưng kết mây CCN và nhân ngưng kết băng (IN). Dạng sol khí này thông thường tồn tại trong khí quyển vài ngày có khi vài tuần. Các phần tử sol khí khí quyển có thể bắt nguồn từ các phần tử cơ bản hoặc được hình thành từ 10
tiền chất khí (nguồn thứ hai), đó là các phần tử khí chuyển đổi đã nói ở trên (SO2, NOx, và VOC,…). Một vài nguồn từ tự nhiên đưa vào khí quyển như từ núi lửa, bụi từ sóng biển, đại dương; Mặt khác, các phát thải công nghiệp, cháy sinh khối và phát thải đất bụi từ các hoạt động nông nghiệp do con người gây nên. Trên toàn cầu, thông lượng sol khí khí quyển được ước chừng khoảng 3440 Tg/năm, trong đó 10% từ các hoạt động của con người. Tuy nhiên, các sol khí do con người gây ra chủ yếu là sol khí sulfat và cacbon (cacbon đen và cacbon hữu cơ), về thực chất nó đã tăng kể từ thời kỳ tiền công nghiệp (IPCC, 1995), và thậm chí còn vượt các nguồn tự nhiên trên toàn cầu, và có trội hơn hẳn ở vùng đô thị và công nghiệp. Sự phát thải sol khí là vấn đề lớn trên toàn cầu, sol khí khu vực từ các nguồn ảnh hưởng hoạt động của con người ảnh hưởng lớn đến khí hậu và môi trường. 1.1.1. Các loại sol khí tác động mạnh tới hệ thống khí hậu của Trái đất 1.1.1.1. Sol khí núi lửa Sol khí của núi lửa được hình thành ở tầng bình lưu sau các trận phun trào lớn của núi lửa giống như núi Pinatubo. Lớp sol khí chủ yếu hình thành bởi khí SO2, sau đó chuyển đổi Hình 1.2. Sol khí núi lửa thành giọt axit (Tham khảo trên báo Science Daily) sulfuric trong tầng bình lưu tồn tại từ một tuần tới vài tháng sau khi núi lửa phun trào (Hình 1.2). Gió trong tầng bình lưu trải rộng sol khí cho đến khi chúng bao phủ 11
toàn cầu. Sau mỗi lần hình thành, các sol khí này tồn tại trong tầng đối lưu khoảng hai năm. Chúng phản xạ bức xạ mặt trời, giảm lượng năng lượng tới tầng thấp hơn của khí quyển và bề mặt Trái Đất, làm lạnh chúng. Đợt lạnh năm 1993 được cho rằng liên quan tới lớp sol khí ở tầng bình lưu được tạo ra bởi sự phun trào núi lửa Pinatubo. Năm 1995, mặc dù sự phun trào núi lửa Pinatubo đã qua được vài năm nhưng lớp này vẫn còn tàn dấu vết trong khí quyển. Số liệu từ các vệ tinh NASA cho các nhà nghiên cứu hiểu rõ hơn về tác động của sol khí núi lửa lên khí quyển của chúng ta. 1.1.1.2. Bụi sa mạc Loại thứ hai của sol khí có tác động đáng kể lên khí hậu là bụi sa mạc. Các bức tranh từ các vệ tinh khí tượng thường cho thấy màn bụi trên Đại Tây Dương từ các sa mạc ở Bắc Phi. Theo như quan trắc bụi rơi khỏi các lớp này tới các vùng khác nhau trên lục địa Châu Mỹ. Tương tự như màn bụi của sa mạc trên lục địa Châu Á. Vào tháng 9 năm 1994 Lidar, STS- 64, đã đo được lượng lớn bụi sa mạc trong tầng thấp của khí quyển trên lục địa Châu Phi. Các phần tử bụi nhẹ được thổi từ bề mặt sa mạc có liên quan lớn Hình 1.3. Bụi sa mạc tới sol khí khí quyển, thông thường chúng rơi khỏi khí quyển sau khi bay thời đoạn ngắn nhưng chúng có thể được thổi lên độ cao khoảng 15.000 ft (khoảng 4.500 m) hoặc cao hơn bởi sự cuốn hút mạnh mẽ của các cơn bão cát. Bụi là vô cơ, do vậy bụi hấp thụ cũng như phân tán tia bức xạ mặt trời. Thông qua hấp thụ tia bức xạ mặt trời, các phần tử bụi làm ấm lớp khí quyển nơi chúng cư trú. Không khí ấm được cho rằng là nguyên nhân ngăn chặn sự hình thành của mây. Thông qua sự ngăn chặn hình mây, mưa, màn bụi được cho là nguyên nhân mở rộng sa mạc trong tương lai. 12
1.1.1.3. Sol khí tạo bởi con người Loại sol khí thứ ba là do các hoạt động của con người. Phần lớn sol khí tạo bởi con người là do khói bụi từ cháy các khu rừng nhiệt đới, đốt than và dầu. Sol khí sulfat tạo bởi con người trong khí quyển đang tăng lên nhanh chóng kể từ cuộc cách mạng công nghiệp. Với mức độ sản xuất hiện tại, sol khí sulfat phát thải bởi con người được cho rằng quá nhiều so với lượng sol khí sulfat tự nhiên. Sol khí tập trung nhiều nhất ở Bắc Hình 1.4. Sol khí tạo bởi con người Bán Cầu nơi trung tâm hoạt động công nghiệp. Sol khí sulfat không hấp thụ bức xạ mặt trời nhưng phản xạ chúng, bởi vậy làm giảm lượng bức xạ mặt trời tới bề mặt Trái Đất. Sol khí sulfat tồn tại trong khí quyển khoảng 3 – 5 ngày. Sol khí sulfat vào trong mây làm tăng số lượng hạt trong mây, làm giảm kích thước của hạt. Tác động mạng lưới là làm tăng phản xạ bức xạ hơn khi không có sol khí sulfat. Sự ô nhiễm từ các tàu biển làm thay đổi mây thấp ở trên chúng. Trong các bức ảnh chụp từ vệ tinh khí tượng ta có thể thấy sự thay đổi trong các giọt mây, bởi sol khí sulfat từ các tàu, như các vết của lớp mây. Thêm vào nữa nó làm mây tăng khả năng phản xạ bức xạ mặt trời. Sol khí là nguyên nhân làm ô nhiễm mây, nó làm tăng thời gian tồn tại của mây và phản xạ nhiều hơn bức xạ mặt trời hơn là mây không bị ô nhiễm. 1.1.2. Sol khí tác động lên hệ thống khí hậu của Trái đất Nhìn chung, sol khí ảnh hưởng tới khí hậu theo hai cách: ảnh hưởng trực tiếp bởi phân tán và hấp thụ các tia bức xạ đi vào, và ảnh hưởng gián tiếp như nhân ngưng kết của mây (CCN) và/hoặc nhân băng (IN), làm thay đổi vi vật lý mây, đặc tính bức xạ và thời gian tồn tại của mây. Tác động trực tiếp phân tán như các phần 13
tử sulfat làm lạnh hệ thống Trái Đất (cái được gọi là hiệu ứng nhà trắng, nó đối ngược với hiệu ứng nhà kính tác động bởi CO2, CH4, N2O,…). Mặt khác các sol khí hấp thụ như Cacbon đen và bụi vô cơ làm nóng Trái đất bằng cách đốt nóng khí quyển. Sự đốt nóng này quay trở lại cản trở sự ngưng đọng và là phẳng gradient nhiệt độ, làm giảm ẩm đối lưu và nước trong khí quyển, làm giảm lượng mây bao phủ, giảm albedo của mây và làm nóng hệ thống Trái đất trong tương lai. Xu hướng làm ấm Trái đất bởi “cloud-burning” từ sol khí hấp thụ được gọi là hiệu ứng “semi-direct”. Tác động gián tiếp của sol khí cũng chia ra làm hai phần: Tác động gián tiếp loại 1, tăng sol khí dẫn đến tăng tập trung các giọt trong mây và làm giảm kích cỡ hạt trong mây, và kết quả làm tăng albedo của mây (hiệu ứng albedo của mây); và hiệu ứng gián tiếp loại 2, như đã nói ở trên sự giảm kích cỡ hạt mây có xu hướng làm giảm giáng thủy, tăng nước lỏng, bởi vậy tăng thời gian tồn tại của mây, (hiệu ứng tồn tại mây) và độ dày của mây. Cả hai hiệu ứng trực tiếp và gián tiếp đều làm giảm lượng bức xạ mặt trời tới bề mặt Trái đất, trong khi đó trường hợp hiệu ứng “semi-direct” làm tăng nhiệt của cột khí quyển. Tuy nhiên, hiệu ứng gián tiếp không chắc chắn như hiệu ứng trực tiếp. Các tác động trực tiếp và gián tiếp đều ảnh hưởng tới giáng thủy. Điều này thể hiện rõ thông qua hiệu ứng “semi-direct” làm biến đổi đặc tính của mây. Giảm bức xạ bề mặt bởi tác động trực tiếp và gián tiếp của sol khí cũng giống như là hiệu chỉnh lại chu trình nước thông qua thay thế tích trữ năng lượng bề mặt, làm giảm lượng bốc hơi và như vậy sẽ làm chậm lại chu trình nước. Hơn nữa, sol khí còn tác động đến môi trường theo nhiều cách khác nữa. Các sol khí gây bất lợi cho sức khỏe của con người và làm giảm tầm nhìn bởi sự phân tán và hấp thụ bức xạ. Sol khí cũng ảnh hưởng tới sự quang hợp và tỉ lệ hấp thụ cacbon của hệ sinh thái. Thêm vào nữa sulfat và nitrat là nguyên nhân cơ bản gây nên mưa axit, ảnh hưởng lớn bởi các khu công nghiệp lớn trên toàn thế giới. 14
Hình 1.5. Những cơ chế bức xạ khác nhau của mây gây ra bởi sol khí. (Đánh giá lần thứ tư của IPCC) Những điểm nhỏ màu đen tượng trưng cho các phần tử sol khí, các vòng tròn kích thước lớn hơn là các hạt mây. Những đường thẳng được cho là thành phần bức xạ tới và thành phần phản xạ lại bức xạ mặt trời, những đường sóng là bức xạ tới mặt đất. Những vòng tròn màu trắng cho biết số hạt mây (CDNC). Những đám mây không có xáo trộn bao gồm những hạt mây lớn trong đó chỉ có các phần tử sol khí tự nhiên xuất hiện và trở thành nhân ngưng kết, còn những đám mây có sự xáo trộn lớn thường chứa đựng một lượng lớn hơn số hạt mây nhỏ, trong đó bao gồm cả các sol khí có nguồn gốc tự nhiên và nguồn gốc từ con người đóng vai trò là các nhân ngưng kết. Những đường nét đứt màu xám biểu thị cho mưa. 1.1.2.1. Tác động của sol khí lên nhiệt độ bề mặt Như đã nói ở trên, đã có nhiều nỗ lực trong định lượng tác động gián tiếp và trực tiếp sol khí gây ra bởi con người tới RF (Radiative forcing) (Năng lượng bức xạ tới – Năng lượng bức xạ phát xạ hồng ngoại của Trái Đất). Một chủ đề liên quan nữa là liệu chứng cứ kinh nghiệm cho thấy hệ thống khí hậu phản ứng thế nào với RF và liệu dấu vết của xon khí có được ghi lại trong quan trắc. Khí hậu phản ứng với biểu hiện khí tượng là thay đổi nhiệt độ, gió, giáng 15
thủy và khả năng phân bổ của chúng. Nhìn chung cả tác động trực tiếp và gián tiếp đều làm giảm nhận năng lượng bức xạ tới bề mặt, là nguyên nhân làm lạnh bề mặt. Theo nghiên cứu điều tra chứng minh nhiệt độ quan trắc toàn cầu có xu hướng liên quan tới sol khí và các khí nhà kính, trong các mô hình khí hậu có tính đến cả sol khí và khí nhà kính đều mô phỏng tốt hơn là mô phỏng chỉ có sol khí hoặc chỉ có khí nhà kính hoặc không có cả hai. Nhiệt độ hàng ngày giảm trên các khu công nghiệp, có thể cho là ảnh hưởng cục bộ của sol khí. Xu hướng lạnh đi đáng kể tìm thấy được ở một vài khu vực ở Trung Quốc, đáng chú ý là ở vịnh Sichuan, nơi tồn tại lượng lớn sol khí do con người gây ra. 1.1.2.2. Tác động của sol khí lên mây và giáng thủy Những thay đổi vật lí vĩ mô của mây như độ bao phủ, cấu trúc, độ cao và những thay đổi vật lý vi mô như kích thước hạt, pha mây có tác động lớn tới khí hậu. Trong khi trên thực tế nhiều nghiên cứu cho thấy sol khí tác động không nhỏ đến việc làm thay đổi các quá trình vi vật lý mây. Quan hệ giữa các phần tử sol khí và mây khá phức tạp và là một mối quan hệ phi tuyến. Kích thước và thành phần hoá học của sol khí (sulphát, nitơrat, bụi, cacbon hữu cơ và cacbon vô cơ) đóng vai trò rất quan trọng trong việc kích hoạt và lớn lên của các hạt mây. a. Quan hệ giữa số lượng sol khí với số hạt mây và kích thước hạt mây Trên một quy mô vùng, các nghiên cứu thực tế đã chỉ ra rằng các đám cháy rừng ở vịnh Amazon đưa vào khí quyển một lượng sol khí rất lớn, hệ quả là làm tăng số lượng hạt mây và làm giảm kích thước của các hạt mây này. Công thức tương quan giữa số lượng sol khí và số lượng hạt mây như sau: Nd ≈ (Na)b. Trong đó Nd là mật độ hạt mây, còn Na là số sol khí, b là tham số thay đổi từ 0.06 -0.48 phụ thuộc vào tính chất của sol khí. b. Các cơ chế tác động của sol khí tới mây và giáng thủy Sol khí có thể tương tác với mây và giáng thủy bằng nhiều cách, như là trở thành nhân ngưng kết hoặc nhân băng hay đóng vai trò là những phần tử hấp thụ 16
năng lượng mặt trời và phân bổ lại nguồn năng lượng nhiệt này trong các lớp mây. Chúng có thể được chia nhỏ thành các quá trình đóng góp khác nhau, như được tóm tắt trong bảng 1.1 và chỉ ra trong hình 1.7. * Sol khí tác động tới độ phản xạ của mây và thời gian tồn tại của mây thông qua quá trình phân bổ của thành phần nước lỏng trong mây (có thể là mây lỏng, mây băng hay là mây có sự hoà trộn giữa pha lỏng và pha băng). - Số sol khí càng nhiều  số hạt mây tăng  sẽ có nhiều hơn các hạt mây để phản xạ lại bức xạ mặt trời  độ phản xạ của mây tăng. - Số sol khí càng nhiều  số hạt mây tăng  kích thước hạt mây nhỏ đi  làm giảm sự hình thành giáng thủy  dẫn đến kéo dài thời gian tồn tại của mây. * Tác động bán trực cho thấy sự hấp thụ bức xạ mặt trời và phản xạ lại bức xạ đó của các phần tử hình thành sau các vụ cháy, đã dẫn đến hệ quả là làm nóng khối không khí và làm thay đổi độ ổn định khí quyển. Nó cũng gây ra sự bay hơi của các hạt mây. * Tác động đóng băng Hình 1.6. Tác động của mật độ hạt mây đến gián tiếp: Trong các đám mây độ phản xạ của mây (albedo) (Đánh giá lần thứ ba của IPCC) có lẫn cả pha băng và pha lỏng, khi có sự gia tăng của sol khí sẽ làm gia tăng số lượng những hạt tinh thể băng quá bão hòa, từ đó nhanh chóng làm tăng kích thước giáng thủy, và nhiều khả năng mây không giáng thủy được chuyển thành mây giáng thủy. * Tác động nhiệt động lực gây ra sự trì hoãn đóng băng của các hạt nhỏ  tạo thành những đám mây siêu lạnh với nhiệt độ rất thấp. Thêm vào đó, sol khí làm 17
thay đổi hiệu ứng bức xạ tại đỉnh khí quyển và làm thay đổi năng lượng tới bề mặt thông qua các quá trình đối lưu, bốc hơi và giáng thủy. 18
Bảng 1.1.a. Những tác động gián tiếp khác nhau của sol khí và hiệu ứng biến đổi thông lượng bức xạ tại đỉnh khí quyển. Biến đổi Mức b/xạ Cường độ Tác động Loại mây Quá trình tại đỉnh độ nghiên KQ cứu T/động đến Với cùng một lượng nước lỏng hoặc Trung độ phản xạ Tất cả băng trong mây, càng nhiều hạt mây Âm Thấp bình của mây thì độ phản xạ càng lớn T/động đến Các hạt mây nhỏ làm giảm lượng thời gian Trung Rất Tất cả giáng thuỷ dẫn đến kéo dài thời gian Âm tồn tại của bình thấp tồn tại của mây mây Sự hấp thụ bức xạ mặt trời của sol Tác động khí tác động đến độ ổn định và năng Dương Rất bán trực Tất cả Nhỏ lượng tới bề mặt, và có thể dẫn tới hoặc âm thấp tiếp sự bay hơi của các phần tử mây. T/động gián Mây hỗn Số lượng các nhân băng tăng lên Trung Rất tiếp gây hợp (lỏng Dương làm gia tăng hiệu suất giáng thuỷ. bình thấp đóng băng và băng) Các phần tử mây nhỏ đi làm trì T/động Mây hỗn hoãn quá trình đóng băng tạo thành Dương Trung Rất nhiệt động hợp (lỏng những đám mây siêu lạnh với nhiệt hoặc âm bình thấp lực và băng) độ rất thấp. Bảng 1.1.b. Những tác động gián tiếp khác nhau của sol khí và ảnh hưởng của nó tới bức xạ sóng ngắn tại bề mặt đất (cột 2 đến cột 4) và tới giáng thuỷ (cột 5 đến cột 7) Thông Mức độ Hiệu Mức Cường Tác động lượng Cường độ ứng độ nghiên cứu độ b/xạ tới bề giáng nghiên 19