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

71
lượt xem 10
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 -