Thời tiết và khí hậu - Phần 1 Năng lượng và khối lượng - Chương 4

Chia sẻ: Nguyễn Nhi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:36

Thêm vào BST

Báo xấu

89
lượt xem 24
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tài liệu tham khảo Giáo trình Thời tiết và khí hậu của Edward Aguado và James E. Burt, nhà xuất bản Đại học quốc gia Hà Nội do Đặng Thị Hồng Thủy và Nguyễn Lan Anh biên dịch - Thời tiết và khí hậu - 1 Năng lượng và khối lượng - Chương 4 Áp suất khí quyển và gió

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Thời tiết và khí hậu - Phần 1 Năng lượng và khối lượng - Chương 4

Ch ¬ng 4 ¸p suÊt khÝ quyÓn v giã Giã cã thÓ g©y t¸c ®éng trùc tiÕp lªn c¶m gi¸c cña chóng ta kÓ c¶ trong ®iÒu kiÖn thêi tiÕt dÞu nhÊt. Mét c¬n giã nhÑ cã thÓ l m cho mét buæi chiÒu nãng nùc trë nªn dÔ chÞu h¬n, hoÆc nã cã thÓ l m cho mét ®ªm ®«ng trë th nh rÊt l¹nh. Nh ng ®«i khi, chuyÓn ®éng kh«ng khÝ cã thÓ t¸c ®éng tíi cuéc sèng chóng ta theo nh÷ng c¸ch m¹nh mÏ h¬n nhiÒu. C d©n c¸c vïng phÝa ®«ng Washington v Oregon vÉn nhí m·i vÒ ®iÒu n y v o ng y 25 th¸ng 9 n¨m 1999, khi Êy giã m¹nh tíi 135 km/giê g©y nªn mét trËn b·o c¸t mï mÞt kÐo theo mét lo¹t tai häa. Trong ng y h«m Êy, 6 ng êi bÞ thiÖt m¹ng, 23 ng êi bÞ th ¬ng, nhiÒu ®o¹n ® êng cao tèc bÞ ngõng trÖ ho n to n trong nhiÒu giê. §iÒu tåi tÖ nhÊt trong sè c¸c tai häa giao th«ng ®· x¶y ra trªn xa lé liªn bang sè 84 ë vïng ®«ng b¾c Oregon. ¤ng gi 58 tuæi Harold Fell ®· diÔn t¶ l¹i tr¶i nghiÖm cña m×nh: “Mét chiÕc xe t¶i 18 b¸nh ®· lao vôt qua chóng t«i v ®iÒu tiÕp sau m t«i ® îc biÕt l nã dõng s÷ng ngay gi÷a ® êng. Nã ®øng sõng s÷ng ngay tr íc mÆt t«i”. Fell v vî «ng chØ bÞ th ¬ng nhÑ, nh ng ch¾c ch¾n hä ph¶i thÊy m×nh ®· may m¾n l m sao khi ® îc chøng kiÕn c¶nh t îng tai häa v nhËn ra 4 ng êi thiÖt m¹ng gi÷a ®èng vì vôn cña 16 chiÕc xe kh¸c bÞ dÝnh. Dï l chóng ta thi tho¶ng cã quan t©m ®Õn t×nh h×nh giã, song Ýt ng êi trong chóng ta chó ý nhiÒu tíi mét th nh tè rÊt liªn quan cña thêi tiÕt - ®ã l ¸p suÊt khÝ quyÓn. Thö hái, ®· bao nhiªu lÇn b¹n hñy bá cuéc d· ngo¹i bëi ¸p suÊt rÊt thÊp? Hay b¹n thÊy bao nhiªu ng êi cã quÇn ¸o chuyªn dông cho nh÷ng ng y ¸p cao? MÆc dï hiÕm khi ® îc chó ý ®Õn trong cuéc sèng h ng ng y, nh ng ¸p suÊt kh«ng khÝ ¶nh h ëng rÊt s©u s¾c tíi nh÷ng th«ng sè thêi tiÕt kh¸c cã t¸c ®éng mét c¸ch trùc tiÕp h¬n nhiÒu. VÝ dô, nh÷ng biÕn thiªn theo ph ¬ng ngang cña ¸p suÊt khÝ quyÓn l nguyªn nh©n trùc tiÕp cña chuyÓn ®éng giã. V bëi v× kh«ng khÝ gi¸ng xuèng ë c¸c khu vùc ¸p suÊt bÒ mÆt cao v th¨ng lªn ë c¸c vïng ¸p suÊt bÒ mÆt thÊp, nªn nh÷ng chªnh lÖch ¸p suÊt t¸c ®éng m¹nh tíi x¸c suÊt h×nh th nh m©y v gi¸ng thñy. Ch ¬ng n y giíi thiÖu nh÷ng kh¸i niÖm c¬ b¶n vÒ ¸p suÊt v ph©n bè ¸p suÊt theo ph ¬ng th¼ng ®øng v ph ¬ng ngang. Chóng ta xem xÐt quan hÖ gi÷a ¸p suÊt v nh÷ng tham sè khÝ quyÓn kh¸c, c¸c qu¸ tr×nh g©y nªn biÕn ®æi ¸p suÊt theo ph ¬ng ngang v th¼ng ®øng. Trªn c¬ së n y, chóng ta cã thÓ tiÕn tíi xem xÐt c¸c h×nh thÕ b·o ë nh÷ng ch ¬ng sau. Kh¸i niÖm vÒ ¸p suÊt KhÝ quyÓn chøa mét sè l îng lín c¸c ph©n tö khÝ bÞ l«i kÐo vÒ phÝa Tr¸i §Êt bëi http://www.ebook.edu.vn 127
lùc träng tr êng. C¸c ph©n tö n y t¸c ®éng mét lùc lªn tÊt c¶ c¸c bÒ mÆt m chóng tiÕp xóc v phÇn lùc n y t¸c ®éng lªn mét ®¬n vÞ diÖn tÝch bÒ mÆt l ¸p suÊt (xem chuyªn môc 4-1: Nh÷ng nguyªn lý vËt lý: VËn tèc, gia tèc, lùc v ¸p suÊt). TÊt nhiªn, kh¸i niÖm ¸p suÊt kh«ng chØ liªn quan tíi khÝ t îng häc, m l c¬ së cña tÊt c¶ c¸c khoa häc vËt lý. Trong hÇu hÕt c¸c øng dông khoa häc vËt lý, ®¬n vÞ chuÈn cña ¸p suÊt l Pascal (Pa), nh ng ë Mü, c¸c nh khÝ t îng dïng milliba (mb), b»ng 100 Pa. C¸c nh khÝ t îng ë Cana®a l¹i sö dông mét ®¬n vÞ kh¸c - kil«pascal (kPa), b»ng 1000 Pa, hay 10 mb. §Ó so s¸nh, ¸p suÊt t¹i mùc n íc biÓn ®iÓn h×nh b»ng kho¶ng 1000 mb (100 kPa) – hoÆc chÝnh x¸c h¬n l 1013,2 mb. H×nh 4.1. ChuyÓn ®éng cña c¸c ph©n tö kh«ng khÝ (biÓu diÔn b»ng c¸c chÊm víi nh÷ng mòi tªn) trong mét hép chøa kÝn t¸c ®éng mét ¸p suÊt lªn c¸c th nh bªn trong (a). ¸p suÊt cã thÓ t¨ng lªn b»ng c¸ch l m t¨ng mËt ®é c¸c ph©n tö (b) hoÆc l m t¨ng nhiÖt ®é (c). Tèc ®é cña c¸c ph©n tö (v do ®ã nhiÖt ®é) ® îc biÓu diÔn b»ng møc ®é x¸m v ®é d i cña c¸c mòi tªn. http://www.ebook.edu.vn 128
§Ó hiÓu c¸c tÝnh chÊt cña ¸p suÊt, h·y xem h×nh 4.1 m« t¶ mét hép kh«ng khÝ ®ãng kÝn. C¸c ph©n tö khÝ bÞ giam kh«ng ngõng chuyÓn ®éng qua l¹i v t¸c ®éng mét ¸p suÊt lªn th nh phÝa trong cña hép (a). ¸p suÊt kh«ng khÝ tû lÖ thuËn víi sè lÇn va ch¹m gi÷a ph©n tö khÝ v th nh hép. Chóng ta cã thÓ l m t¨ng ¸p suÊt b»ng hai c¸ch. C¸ch thø nhÊt l t¨ng mËt ®é kh«ng khÝ b»ng c¸ch b¬m kh«ng khÝ v o hép hoÆc l m gi¶m thÓ tÝch hép (b). C¸ch thø hai l l m t¨ng nhiÖt ®é kh«ng khÝ, trong tr êng hîp n y, c¸c ph©n tö khÝ t¸c ®éng ¸p suÊt lín h¬n v× chóng chuyÓn ®éng nhanh h¬n (c). Nh vËy, ¸p suÊt thÓ hiÖn c¶ mËt ®é v nhiÖt ®é cña chÊt khÝ. NÕu kh«ng khÝ trong hép l mét hçn hîp c¸c chÊt khÝ (nh trong khÝ quyÓn), mçi chÊt khÝ g©y ra l îng ¸p suÊt riªng cña nã, gäi l ¸p suÊt riªng phÇn. ¸p suÊt tæng céng t¸c ®éng b»ng tæng cña c¸c ¸p suÊt riªng phÇn. Quan hÖ n y ® îc biÕt ®Õn nh l ®Þnh luËt Dalton. Trªn Tr¸i §Êt, hép chøa ® îc bao quanh bëi khÝ quyÓn, nã t¹o ra ¸p suÊt lªn th nh hép bªn ngo i. B©y giê, xem ®iÒu g× sÏ x¶y ra nÕu chóng ta më n¾p hép hoÆc l m mét lç thñng ë c¹nh hép. NÕu ¸p suÊt ë bªn ngo i hép chøa lín h¬n ¸p suÊt ë bªn trong, kh«ng khÝ bªn ngo i sÏ bÞ dån v o bªn trong cho ®Õn khi ¸p suÊt b»ng nhau. (Lùc ®Ó t¹o c©n b»ng n y chÝnh l c¸i ®· t¹o ra tiÕng rÝt khi b¹n më mét hép c phª ® îc rót ch©n kh«ng). MÆt kh¸c, nÕu nh ¸p suÊt ë bªn trong hép chøa lín h¬n, kh«ng khÝ sÏ bÞ dån ra ngo i cho ®Õn khi ¸p suÊt bªn trong gi¶m ®Ó b»ng kh«ng khÝ xung quanh. Trong c¶ hai tr êng hîp, trong kho¶nh kh¾c ¸p suÊt kh«ng khÝ t¸c ®éng lªn phÝa ngo i cña hép chøa sÏ trë th nh ®óng b»ng ¸p suÊt ë bªn trong. ThÝ dô n y dÉn ta ®Õn mét ®Æc ®iÓm kh¸c cña kh«ng khÝ: nã lu«n di chuyÓn ®Ó t¹o ra mét sù c©n b»ng gi÷a c¸c khu vùc ¸p suÊt cao v thÊp. C¸i m chóng ta tr¶i nghiÖm ® îc nh l ¸p suÊt khÝ quyÓn thùc ra l khèi l îng cña kh«ng khÝ ë bªn trªn chóng ta bÞ l«i kÐo xuèng phÝa d íi bëi träng lùc. Nãi c¸ch kh¸c, ¸p suÊt t¹i ®iÓm n o ®ã ph¶n ¸nh khèi l îng khÝ quyÓn bªn trªn ®iÓm Êy. Khi chóng ta c ng ®i lªn cao trong khÝ quyÓn, khèi l îng khÝ quyÓn phÝa trªn ph¶i gi¶m v ¸p suÊt còng ph¶i gi¶m. Chóng ta c¶m nhËn ® îc sù thay ®æi ®ã, vÝ dô trong chiÕc thang m¸y ®i lªn nhanh, ë ®ã sù gi¶m ¸p suÊt cã thÓ dÉn ®Õn ï tai. Nhí r»ng ¸p suÊt l biÕn duy nhÊt lu«n gi¶m theo ph ¬ng th¼ng ®øng trong sè c¸c biÕn khÝ quyÓn. C¸c biÕn kh¸c (nh nhiÖt ®é, ®é Èm v mËt ®é) kh«ng nhÊt thiÕt ph¶i diÔn biÕn nh vËy. MÆc dï thùc tÕ l khÝ quyÓn bÞ l«i cuèn xuèng phÝa d íi bëi träng lùc, ¸p suÊt t¸c ®éng nh nhau trong tÊt c¶ c¸c h íng - lªn trªn, xuèng d íi v sang ngang. H·y nhí l¹i tr êng hîp hép chøa ®ãng kÝn m chóng ta võa m« t¶ víi ¸p suÊt bªn trong lín h¬n bªn ngo i. BÊt kÓ l hép chøa bÞ khoan lç trªn mét c¹nh hép, ë ®¸y hép hay ë ®Ønh hép th× ¸p suÊt lín h¬n ë bªn trong vÉn l m cho kh«ng khÝ bÞ ®Èy ra ngo i. §©y l mét c¸ch kh¸c ®Ó nhËn ra thùc tÕ l ¸p suÊt kh«ng khÝ t¸c ®éng nh nhau trong tÊt c¶ c¸c h íng. H·y gi÷ cho c¸nh tay b¹n th¼ng ngang. Kh«ng khÝ ®Èy lªn c¸nh tay b¹n, kh«ng chØ ®Èy xuèng phÝa d íi, cßn ®Èy däc theo c¸nh tay v http://www.ebook.edu.vn 129
ho n to n nh nhau ®Èy tõ phÝa d íi lªn. * NÕu nh ¸p suÊt chØ t¸c ®éng xuèng d íi, träng l îng cña kh«ng khÝ sÏ lín ®Õn nçi thËm chÝ ng êi kháe nhÊt còng kh«ng thÓ giang c¸nh tay ra ® îc. Träng l îng lín n y lín nh thÕ n o? Trong ®iÒu kiÖn b×nh th êng t¹i mùc n íc biÓn, lùc n y b»ng 14,7 pao trªn mçi inch vu«ng – ®ã l mét t¶i träng rÊt nÆng ®èi víi mét c¸nh tay thËm chÝ ng¾n. BiÕn thiªn ¸p suÊt theo ph ¬ng th¼ng ®øng v ph ¬ng ngang §Ó hiÓu vÒ giã, chóng ta cÇn ®o v so s¸nh c¸c chªnh lÖch vÒ ¸p suÊt t¨ng t¹i nh÷ng vÞ trÝ kh¸c nhau, bëi v× nh÷ng chªnh lÖch ®ã t¹o ra c¸c chuyÓn ®éng ph ¬ng ngang cña kh«ng khÝ. Nh ng c«ng viÖc n y phøc t¹p do mét thùc tÕ l cao ®é thay ®æi tõ n¬i n y ®Õn n¬i kh¸c. (Nhí l¹i r»ng c¸c cao ®é lín cã ¸p suÊt thÊp, ®¬n gi¶n v× ë ®ã kh«ng khÝ bªn trªn Ýt h¬n). NÕu chóng ta chØ dïng sè liÖu ®o bÒ mÆt ®Ó so s¸nh, th× kh«ng thÓ ph©n t¸ch c¸c hiÖu øng cña cao ®é ra khái c¸c chªnh lÖch ¸p suÊt g©y giã. §Ó kh¾c phôc vÊn ®Ò n y, c¸c nh khÝ t îng häc ®· dïng kh¸i niÖm ¸p suÊt mùc n íc biÓn. ¸p suÊt bÒ mÆt l ¸p suÊt thùc sù quan tr¾c ® îc t¹i mét vÞ trÝ cô thÓ, cßn ¸p suÊt mùc biÓn l ¸p suÊt sÏ tån t¹i nÕu nh ®iÓm quan tr¾c n»m t¹i mùc n íc biÓn. V× phÇn lín bÒ mÆt ®Êt ®Òu ë bªn trªn mùc biÓn, nªn ¸p suÊt bÒ mÆt th êng l thÊp h¬n trong hai ¸p suÊt. VÝ dô, h·y so s¸nh c¸c ¸p suÊt bÒ mÆt t¹i ®Ønh nói cao v thung lòng ngay bªn c¹nh trªn h×nh 4.2. MÆc dï khÝ quyÓn ph©n bè ®ång ®Òu trªn vïng quan s¸t, ¸p suÊt bÒ mÆt t¹i vÞ trÝ nói nhá h¬n mét c¸ch ®¸ng kÓ so víi t¹i thung lòng. H×nh 4.2. Do ¸p suÊt khÝ quyÓn thÝch øng víi träng l îng cña khÝ quyÓn n»m bªn trªn, nªn nã lu«n gi¶m theo cao ®é. ¸p suÊt ë ®Ønh nói P2 nhá h¬n ¸p suÊt ë ch©n nói P1 v× l îng kh«ng khÝ n»m bªn trªn nhiÒu h¬n. V× vËy ph¶i ph©n biÖt ¸p suÊt kh«ng khÝ bÒ mÆt víi ¸p suÊt mùc biÓn ¸p suÊt mùc biÓn cho phÐp chóng ta so s¸nh ¸p suÊt t¹i nh÷ng vÞ trÝ kh¸c ¸p suÊt ë phÝa d íi c¸nh tay b¹n lín h¬n rÊt Ýt so víi ë phÝa trªn. §ã l v× ¸p suÊt lu«n * gi¶m theo ®é cao v ë phÝa trªn cña c¸nh tay b¹n chØ cao h¬n v i cm so víi phÝa d íi. Tuy nhiªn, sù chªnh lÖch n y l rÊt nhá v cã thÓ bá qua trong vÝ dô n y. http://www.ebook.edu.vn 130
nhau, tÝnh ®Õn nh÷ng kh¸c biÖt vÒ cao ®é. §èi víi nh÷ng vÞ trÝ kh«ng qu¸ cao bªn trªn mùc n íc biÓn, chóng ta cã thÓ cã ® îc chØ thÞ tèt vÒ ¸p suÊt mùc n íc biÓn b»ng c¸ch gi¶ ®Þnh sù thay ®æi ®Òu cña ¸p suÊt theo cao ®é. VÝ dô, t¹i cao ®é 150 m, ta céng thªm 14 mb v o ¸p suÊt bÒ mÆt ®Ó nhËn ® îc ¸p suÊt mùc n íc biÓn (kho¶ng 1 mb t¨ng lªn cho tõng 10 m). Tuy nhiªn, ®èi víi nh÷ng n¬i víi cao ®é lín, ph ¬ng ph¸p n y kh«ng tin cËy, v× chóng ta ph¶i tÝnh ®Õn sù nÐn cña khÝ quyÓn. H×nh 4.3. Víi tõng 5,5 km ®é cao ¸p suÊt gi¶m kho¶ng mét nöa Nh ®· thÊy ë h×nh 4.3, ¸p suÊt kh«ng gi¶m theo ®é cao víi mét tèc ®é ®Òu. Ng îc l¹i, nã gi¶m nhanh nhÊt t¹i nh÷ng n¬i cao ®é thÊp v tõ tõ triÖt tiªu t¹i c¸c ®é cao lín. VÝ dô, tõ mùc biÓn ®Õn cao ®é 1 km ¸p suÊt trung b×nh gi¶m kho¶ng 100 mb, nh ng gi÷a 9 v 10 km ¸p suÊt gi¶m chØ víi tèc ®é b»ng mét nöa. Sù phi tuyÕn tån t¹i l do, nh ta ®· biÕt, kh«ng khÝ bÞ nÐn. Do khèi l îng khÝ quyÓn ® îc nÐn ®Ëm ®Æc h¬n t¹i c¸c mùc thÊp, nªn mét thay ®æi cao ®é kh«ng lín t¹i c¸c mùc thÊp l m cho b¹n ph¶i qua mét l îng khÝ quyÓn lín, dÉn tíi mét møc gi¶m ¸p suÊt lín. MÆc dï nh÷ng chªnh lÖch ¸p suÊt theo ph ¬ng ngang cã thÓ l ®ñ ®Ó t¹o ra giã m¹nh, nh ng nh ng chªnh lÖch ®ã rÊt nhá so víi nh÷ng chªnh lÖch theo ph ¬ng th¼ng ®øng. VÝ dô, ¸p suÊt mùc biÓn l 1050 mb ® îc xem l rÊt cao, song nã chØ lín h¬n trung b×nh to n cÇu 4 mb. H¬n n÷a, chªnh lÖch gi÷a ¸p suÊt mùc biÓn cao nhÊt v thÊp nhÊt ë B¾c Mü trong mét ng y n o ®ã cã thÓ chØ ®¹t tíi kho¶ng 25 mb. V thËm chÝ chªnh lÖch ¸p suÊt phÇn tr¨m nhá bÐ n y th êng cã thÓ ® îc ghi nhËn http://www.ebook.edu.vn 131
trªn mét kho¶ng c¸ch nhiÒu tr¨m km. Ng îc l¹i, ta chØ cÇn chÌo lªn ®Ønh cña mét ngän ®åi khiªm tèn hoÆc tßa nh cao còng thÊy ® îc mét sù thay ®æi ¸p suÊt t ¬ng ® ¬ng nh vËy. thay ®æi h íng theo thêi gian, ngay c¶ ®èi víi mét vËt cã tèc ®é kh«ng thay ®æi. 4-1: Nh÷ng nguyªn lý vËt lý: Mét xe « t« ch¹y víi tèc ®é kh«ng ®æi VËn tèc, gia tèc, lùc v ¸p suÊt nh ng tõ tõ quay h íng l ®ang cã mét gia tèc, còng gièng nh mét xe « t« víi tèc ®é thay ®æi. Trong héi tho¹i th êng ng y chóng Trong khÝ t îng häc cã mét gia tèc ta hay nghe nh÷ng chuyªn tõ lùc v ¸p ®Æc biÖt rÊt quan träng - gia tèc träng suÊt ® îc sö dông thay thÕ cho nhau, tr êng ( g ). Gia tèc n y b»ng 9,8 m/s/s, còng gièng nh vËn tèc v tèc ®é th êng nã gÇn nh kh«ng ®æi trªn to n Tr¸i ® îc xem nh ®ång nghÜa. Tuy nhiªn, §Êt. g chØ gi¶m chót Ýt tõ xÝch ®¹o ®Õn trong ng«n ng÷ khoa häc, viÖc lÉn lén gi÷a cùc v g còng chØ kh¸c biÖt rÊt Ýt tõ bÒ nh÷ng thuËt ng÷ n y cã thÓ dÉn tíi nhÇm mÆt ®Õn líp trªn cña khÝ quyÓn. Tuy lÉn lín. Chóng ta sÏ xem chóng kh¸c nhiªn, trong ®a sè c¸c øng dông, nh÷ng nhau nh thÕ n o. biÕn thiªn ®ã cña g nhá, cho nªn cã thÓ VËn tèc v gia tèc bá qua. Mçi vËt n o ®ã chuyÓn ®éng cã tèc Lùc v ¸p suÊt ®é cô thÓ, ® îc ®Þnh nghÜa l kho¶ng c¸ch Mét trong nh÷ng nguyªn lý quan ®i ® îc trong mét ®¬n vÞ thêi gian. Tèc ®é träng nhÊt cña khoa häc vËt lý l ®Þnh liªn quan ®Õn vËn tèc, nh ng kh«ng l luËt thø hai cña Newton, nã liªn hÖ kh¸i mét nh vËn tèc. VËn tèc g¾n liÒn víi niÖm lùc (ký hiÖu l F ) víi khèi l îng h íng chuyÓn ®éng còng nh tèc ®é. VÝ ( m ) v gia tèc ( a ). Cô thÓ, ®Þnh luËt thø dô, h·y xÐt hai xe « t« ch¹y víi 20 m mét hai cña Newton nãi r»ng gia tèc cña mét gi©y, nh ng di chuyÓn theo hai h íng vËt thÓ tû lÖ thuËn víi lùc t¸c ®éng lªn ng îc nhau. MÆc dï chóng cã cïng tèc ®é, nã v tû lÖ nghÞch víi khèi l îng cña nã. nh ng c¸c vËn tèc cña chóng kh«ng b»ng B»ng ký hiÖu, ®iÒu n y ® îc biÓu diÔn nhau do c¸c h íng chuyÓn ®éng kh¸c nh sau nhau. Sù ph©n biÖt n y rÊt quan träng ®Ó F hiÓu ® îc mét ®¹i l îng tiÕp theo cña a= F = ma . hoÆc m′ chóng ta - gia tèc, sù thay ®æi vÒ vËn tèc (kh«ng ph¶i tèc ®é) theo thêi gian. H·y h×nh dung mét xe t¶i 18 b¸nh xe chÊt h ng nÆng dõng l¹i theo ®Ìn Do vËn tèc gåm c¶ tèc ®é v h íng, hiÖu ®á ngay sau mét xe ®¹p. Khi ®Ìn sù thay ®æi hoÆc h íng hoÆc tèc ®é l gia hiÖu chuyÓn sang m u xanh, c¶ hai b¾t tèc. VÝ dô, xÐt mét xe « t« t¹i mét thêi ®Çu t¨ng tèc víi cïng c êng suÊt. DÔ ®iÓm ch¹y víi tèc ®é 20 m/s, mét gi©y sau thÊy r»ng, nÕu nh c¶ hai duy tr× vÞ trÝ chÝnh « t« ®ã cã tèc ®é 19 m/s; sau mét liÒn nhau, th× xe t¶i nÆng nÒ h¬n nhiÒu gi©y n÷a tèc ®é l 18 m/s v tiÕp tôc nh sÏ ®ßi hái mét lùc lín h¬n (v “®éng c¬” thÕ. Khi mçi gi©y qua ®i, tèc ®é cña xe m¹nh h¬n). T ¬ng tù nh vËy, nÕu hai gi¶m 1 m/s (l u ý r»ng gia tèc cã thÓ cã gi¸ vËt thÓ víi cïng khèi l îng chÞu c¸c lùc trÞ d ¬ng hoÆc ©m nh trong thÝ dô n y). kh¸c nhau, vËt n o chÞu lùc lín h¬n sÏ cã Gia tèc còng cã thÓ x¶y ra nh khi cã mét gia tèc lín h¬n. http://www.ebook.edu.vn 132
H×nh 1. Lùc h íng xuèng phÝa d íi cña khÝ quyÓn b»ng khèi l îng to n bé khÝ quyÓn nh©n víi gia tèc träng tr êng. V× khèi l îng v gia tèc träng tr êng kh«ng ®æi theo thêi gian, nªn lùc n y cña khÝ quyÓn kh«ng ®æi. ¸p suÊt ® îc x¸c ®Þnh b»ng lùc t¸c ®éng lªn ®¬n vÞ diÖn tÝch. Do ®ã, diÖn tÝch ® îc ®¸nh dÊu trªn h×nh chÞu mét ¸p suÊt nhÊt ®Þnh. ¸p suÊt biÕn ®æi do khèi l îng kh«ng khÝ ë bªn trªn biÕn ®æi theo vÞ trÝ v theo thêi gian L u ý r»ng lùc F trong ph ¬ng tr×nh t ëng t îng mét triÖu thïng xe t¶i v trªn l lùc thuÇn t¸c ®éng lªn vËt. NÕu c¸c mçi thïng chøa mét tû con voi). NÕu lùc kh¸c nhau t¸c ®éng ®ång thêi, tÊt c¶ nh©n khèi l îng khÝ quyÓn víi gia tèc c¸c lùc ® îc xem nh cïng quyÕt ®Þnh gia träng tr êng, ta x¸c ®Þnh ® îc lùc t¸c tèc; ta ph¶i ®¸nh gi¸ c¶ ®é lín v h íng ®éng lªn khÝ quyÓn b»ng kho¶ng 19 cña mçi lùc. Nh sÏ thÊy víi tr êng hîp 5,0 × 10 N (1 newton (N) l ®¬n vÞ ®o lùc nh÷ng giät n íc m a r¬i (ch ¬ng 7), c¸c cÇn ®Ó t¨ng tèc cho 1 kg vËt 1 m/s trong lùc t¸c ®éng theo nh÷ng h íng ng îc mçi 1 gi©y). nhau l m gi¶m lùc thuÇn v gia tèc kÕt Lùc ®em chia cho diÖn tÝch m nã qu¶, ®«i khi dÉn tíi gi¸ trÞ kh«ng. t¸c ®éng lªn sÏ b»ng ¸p suÊt. VËy nÕu Chóng ta ¸p dông ®Þnh luËt thø hai chia lùc 5,0 × 10 19 N cho diÖn tÝch bÒ mÆt cña Newton cho khÝ quyÓn. KhÝ quyÓn Tr¸i §Êt, sÏ cho ta lùc trung b×nh trªn chøa 5,14 × 10 18 kg khèi l îng. (§Ó h×nh diÖn tÝch ®¬n vÞ, hay ¸p suÊt bÒ mÆt dung 5,14 × 10 18 kg nÆng nh thÕ n o, ta sÏ trung b×nh b»ng kho¶ng 10,132 N/cm2. http://www.ebook.edu.vn 133
Gi¸ trÞ n y t ¬ng ® ¬ng 1013,2 mb, tån t¹i ë n¬i cét khÝ quyÓn chøa nhiÒu hay gÇn 14,7 pao/ inch2. ph©n tö h¬n, cßn ¸p suÊt thÊp h¬n ® îc thÊy ë n¬i chøa Ýt h¬n. Cßn vÊn ®Ò Khi ®· ph©n biÖt gi÷a lùc v ¸p suÊt, nh÷ng chªnh lÖch ¸p suÊt ®ã diÔn ra nh b©y giê ta ®Æt c©u hái sù kh¸c biÖt ®ã thÓ thÕ n o sÏ ® îc xÐt sau ë ch ¬ng n y; hiÖn trong khÝ quyÓn nh thÕ n o. §¸p ¸n lóc n y, ®iÓm quan träng l ¸p suÊt bÒ l : mÆc dï tæng lùc cña khÝ quyÓn gÇn nh mÆt ph¶n ¸nh khèi l îng cña khÝ quyÓn kh«ng ®æi, c¸c chÊt khÝ kh«ng ph©n bè ë bªn trong cét khÝ quyÓn nh trªn h×nh ®ång ®Òu trªn h nh tinh. ¸p suÊt cao h¬n 1 ®· cho thÊy. Ph ¬ng tr×nh tr¹ng th¸i Kinh nghiÖm h ng ng y cho biÕt r»ng c¸c chÊt khÝ cã xu thÕ në ra khi bÞ l m nãng v trë nªn ®Ëm ®Æc h¬n khi bÞ l m l¹nh. §iÒu n y m¸ch b¶o r»ng nhiÖt ®é, mËt ®é v ¸p suÊt liªn hÖ víi nhau. Thùc tÕ th× mèi quan hÖ gi÷a chóng rÊt ®¬n gi¶n. Nã ® îc m« t¶ b»ng ph ¬ng tr×nh tr¹ng th¸i (cßn gäi l ®Þnh luËt chÊt khÝ lý t ëng) p = ρ RT , trong ®ã p l ¸p suÊt biÓu diÔn b»ng Pascal, ρ l mËt ®é b»ng kg/m3, R l h»ng sè b»ng 287 J/(kg.K) v T l nhiÖt ®é (K). Ph ¬ng tr×nh n y ® îc diÔn ®¹t nh sau: nÕu mËt ®é kh«ng khÝ t¨ng trong khi nhiÖt ®é kh«ng ®æi, th× ¸p suÊt sÏ t¨ng. T ¬ng tù, khi mËt ®é kh«ng ®æi, t¨ng nhiÖt ®é dÉn ®Õn t¨ng ¸p suÊt. VÊn ®Ò n y dÉn ®Õn mét sù nhÇm lÉn phæ biÕn. Trong c«ng chóng (v mét sè sinh viªn) th êng cã thãi quen t×m kiÕm mét mèi liªn hÖ gi¶n ®¬n gi÷a nhiÖt ®é v ¸p suÊt. Chóng ta cã thÓ nghe nãi “¸p suÊt ®ang gi¶m, trêi sÏ trë rÐt”, hoÆc l “trêi nãng – ch¾c ch¾n ¸p suÊt sÏ cao”. Nh ng ph ¬ng tr×nh tr¹ng th¸i nãi r»ng nh÷ng ph¸t biÓu m¬ hå nh thÕ kh«ng ®óng. Mét biÕn thø ba, mËt ®é, cã thÓ ®¶o lén nh÷ng thay ®æi cña hai biÕn kia. VÝ dô, trªn c¸c ®ång b»ng cña B¾c Mü, ¸p suÊt cao tiÕp sau mét trËn b·o mïa ®«ng th êng mang theo nhiÖt ®é l¹nh cãng, chø kh«ng ph¶i c¸i Êm ¸p dÔ chÞu. MÆc dï l tr¸i ng îc ®èi víi linh nghiÖm cña mét sè ng êi, song hiÖn t îng nh vËy l ho n to n phï hîp ph ¬ng tr×nh tr¹ng th¸i. §o ¸p suÊt Dông cô ®o ¸p suÊt ® îc gäi l ¸p kÕ. Hai lo¹i ¸p kÕ ® îc sö dông phæ biÕn nhÊt trong quan tr¾c th«ng th êng: mét lo¹i cÊu t¹o tõ mét èng tuýp cã chøa mét phÇn thñy ng©n v lo¹i thø hai sö dông c¸c hép khoang xÕp. ¸p kÕ thñy ng©n Dông cô tiªu chuÈn ®Ó ®o ¸p suÊt l ¸p kÕ thñy ng©n (h×nh 4.4), s¸ng chÕ cña Evangelista Torricelli n¨m 1643. §ã l mét dông cô ®¬n gi¶n chÕ t¹o b»ng c¸ch cho thñy ng©n v o trong mét èng tuýp d i v sau ®ã ®¶o ng îc ®Çu tuýp ®Ó thñy ng©n ch¶y v o mét bÇu chøa. MÆc dï èng tuýp ® îc ®¶o ®Çu, nã vÉn kh«ng rçng. Ng îc l¹i, kh«ng khÝ tuån xuèng phÝa d íi ®Õn bÇu chøa thñy ng©n v l m cho mét phÇn thñy ng©n næi lªn phÝa trªn v o trong èng tuýp. ¸p suÊt kh«ng khÝ c ng lín, th× cét http://www.ebook.edu.vn 134
thñy ng©n c ng cao. ¸p suÊt cña ¸p kÕ th êng ® îc biÓu diÔn b»ng ®é cao cña cét thñy ng©n trong mét ¸p kÕ, t¹i mùc biÓn ®é cao ®ã vÒ trung b×nh l 76 cm (29,92 inch). Tuy nhiªn, phÐp ®o n y kh«ng phï hîp víi kh¸i niÖm vÒ ¸p suÊt, bëi v× ¸p suÊt kh«ng cã ®¬n vÞ cña ®é d i. Nãi c¸ch kh¸c, biÓu diÔn ¸p suÊt cña ¸p kÕ b»ng cm hoÆc inch còng ngí ngÈn nh nãi tuæi cña ai ®ã b»ng “30 dÆm/giê” hay c©n nÆng l “1,99 ®« la”!. C¸c sè ®o ®é d i tõ mét ¸p kÕ chØ l ph¶n øng cña ¸p kÕ ®ã ®èi víi ¸p suÊt khÝ quyÓn, chø kh«ng ph¶i gi¸ trÞ quan tr¾c ¸p suÊt trùc tiÕp. C¸c nh khÝ t îng häc a dïng mét ®¬n vÞ sao cho ®o ® îc lùc t¸c ®éng trªn diÖn tÝch ®¬n vÞ, nh pao/inch2 hoÆc milliba. C¸c c«ng thøc ®¬n gi¶n ®Ó chuyÓn ®æi ®é cao ¸p kÕ sang milliba l : 1 cm = 13,32 mb v 1 inch = 33,865 mb. H×nh 4.4. ¸p kÕ thñy ng©n Thñy ng©n l chÊt láng rÊt chuÈn ®Ó dïng trong ¸p kÕ v× nã rÊt nÆng, víi mËt ®é 13,6 lÇn lín h¬n mËt ®é n íc. §Æc ®iÓm n y cho phÐp ®iÒu chØnh ® îc kÝch th íc cña dông cô. NÕu sö dông n íc thay v× thñy ng©n, th× cét n íc ph¶i cao chõng 10 m ®Ó cã thÓ c©n b»ng víi träng l îng cña khÝ quyÓn. MÆt kh¸c, mÆc dï mét ¸p kÕ chøa n íc cao b»ng tßa nh 3 tÇng cã thÓ l kh«ng gän nhÑ, song nã cã kh¶ n¨ng ®o rÊt chÝnh x¸c, bëi v× nh÷ng biÕn ®æi nhá cña ¸p suÊt sÏ ® îc chuyÓn ®æi th nh nh÷ng biÕn ®æi lín vÒ ®é cao. HiÖu chØnh c¸c sè ®o cña ¸p kÕ thñy ng©n Mét trong c¸c c«ng cô quan träng cña nh khÝ t îng häc l b¶n ®å thêi tiÕt, ngo i mét sè thø kh¸c, trong b¶n ®å n y biÓu diÔn ph©n bè ¸p suÊt trªn bÒ mÆt. Tuy nhiªn, tr íc khi sè liÖu ¸p kÕ ® îc dïng trªn b¶n ®å, ph¶i thùc hiÖn ba hiÖu chØnh ®Ó lo¹i trõ nh÷ng nh©n tè ®Þa ph ¬ng ¶nh h ëng tíi c¸c sè ®o. HiÖu chØnh thø nhÊt lo¹i trõ ¶nh h ëng cña cao ®é chóng ta m« t¶ tr íc ®©y trong ch ¬ng n y. NÕu nh c¸c gi¸ trÞ ¸p suÊt bÒ mÆt ® îc vÏ trªn c¸c b¶n ®å thêi tiÕt, chóng sÏ cho mét biÓu diÔn sai vÒ ph©n bè cña khÝ quyÓn. Nguyªn do l c¸c cao ®é cao th× cã c¸c ¸p suÊt bÒ mÆt thÊp h¬n so víi c¸c cao ®é thÊp, ngay c¶ khi ¸p suÊt mùc biÓn l nh nhau. §Ó quy chuÈn c¸c sè liÖu quan tr¾c, chóng ta ph¶i chuyÓn ®æi sè ®o ¸p suÊt bÒ mÆt vÒ c¸c gi¸ trÞ t¹i mùc n íc biÓn. §èi víi mét tr¹m quan tr¾c n»m ë ®é cao 100 m trªn mùc biÓn, ph¶i céng thªm kho¶ng 1 cm, t ¬ng øng víi kho¶ng 13 mb. T¹i c¸c cao ®é lín h¬n, cÇn ph¶i cã hiÖu chØnh lín h¬n. Ch¼ng h¹n, t¹i Denver, Colorado (gäi l “Th nh phè cao 1 dÆm”), sè hiÖu chØnh b»ng kho¶ng 16 cm hay 213 mb. HiÖu chØnh thø hai liªn quan tíi sù gièng nhau gi÷a ¸p kÕ thñy ng©n v nhiÖt kÕ. V× thñy ng©n trong nhiÖt kÕ gi·n në khi nhiÖt ®é t¨ng, thñy ng©n trong ¸p kÕ http://www.ebook.edu.vn 135
còng nh vËy. Sù gi·n në l m gi¶m mËt ®é cña chÊt láng v ®ßi hái nã ®¹t tíi mét ®é cao lín h¬n ®Ó bï l¹i träng l îng khÝ quyÓn. Nãi c¸ch kh¸c, v o ng y nãng ®é cao cña cét thñy ng©n cao h¬n ng y l¹nh, ngay c¶ khi ¸p suÊt khÝ quyÓn nh nhau. V× lý do n y, nªn c¸c ¸p kÕ thñy ng©n lu«n cã mét nhiÖt kÕ g¾n kÌm theo ®Ó x¸c ®Þnh nhiÖt ®é cña dông cô, cßn b¶ng hiÖu chØnh cho chóng ta biÕt ®é cao cña cét thñy ng©n ph¶i b»ng bao nhiªu nÕu nh nhiÖt ®é b»ng gi¸ trÞ chuÈn 0 oC (32 oF). T¹i nhiÖt ®é chuÈn trong phßng, hiÖu chØnh n y nhá, chØ cÇn trõ bít kho¶ng 2,5 mm. HiÖu chØnh thø ba tÝnh ®Õn gia tèc träng tr êng biÕn thiªn nhÑ theo vÜ ®é. §Ó chuÈn hãa c¸c sè ®o tõ tÊt c¶ c¸c vÜ ®é, chóng ta quy ®æi chóng vÒ gi¸ trÞ m chóng ph¶i cã nÕu nh träng lùc ®Þa ph ¬ng b»ng träng lùc t¹i 45o vÜ nam hoÆc b¾c, hay b»ng trung b×nh gi÷a xÝch ®¹o v c¸c cùc. Tuy nhiªn, nh÷ng biÕn thiªn träng lùc theo vÜ ®é l nhá v c¸c hiÖu chØnh th êng cã cì 0,25 mm. nhÊt qu¸n, ta sÏ gi¶ ®Þnh r»ng ¸p suÊt l 100 000 Pa (1000 mb; 100 kPa) trong c¶ 4-2: Nh÷ng nguyªn lý vËt lý: hai t×nh huèng. C¸c biÕn thiªn cña mËt ®é ¸p dông ph ¬ng tr×nh tr¹ng th¸i cho ng y Êm, ta t×m ® îc mËt ®é kh«ng Cã lÏ b¹n tõng ph©n v©n kh«ng khÝ khÝ b»ng nÆng bao nhiªu. Kh«ng khÝ xung quanh 100000 Pa b¹n cã mËt ®é riªng v mçi thÓ tÝch kh«ng 3 ρ= = 1,13 kg/m *. −1 −1 khÝ bÊt kú chøa mét khèi l îng nhÊt ®Þnh. 287 J kg K × 308 K Nh÷ng biÕn thiªn vÒ mËt ®é kh«ng khÝ Khi ta h¹ nhiÖt ®é kh«ng khÝ xuèng g©y nªn nhiÒu hiÖn t îng h ng ng y. VÝ ®Õn 278 K (5 oC hay 41 oF), ph ¬ng tr×nh dô, mËt ®é cña khÝ quyÓn ¶nh h ëng tíi cho mËt ®é kh«ng khÝ b»ng mét m¸y bay ph¶i ch¹y lÊy ® bao xa khi 100000 Pa nã t¨ng tèc trªn ® êng b¨ng ®Ó chuÈn bÞ 3 ρ= = 1,25 kg/m . −1 −1 cÊt c¸nh. T ¬ng tù, c¸c m¸y phun nhiªn 287 J kg K × 278 K liÖu « t« ph¶i tÝnh ®Õn biÕn thiªn mËt ®é MËt ®é n y gÇn 11% lín h¬n mËt ®é ®Ó cung cÊp hçn hîp x¨ng v kh«ng khÝ kh«ng khÝ ë ng y Êm h¬n – mét l îng phï hîp v o ®éng c¬ xe. MËt ®é kh«ng khÝ ®¸ng kÓ. thËm chÝ cã thÓ ¶nh h ëng tíi l îng c¶n Ngo i nhiÖt ®é v ¸p suÊt, ®é Èm cña kh«ng khÝ lªn mét tr¸i bãng ch y, do cña kh«ng khÝ còng cã ¶nh h ëng (dï rÊt ®ã, tíi kho¶ng c¸ch bay cña tr¸i bãng. nhá) tíi mËt ®é. Ta sÏ xem nh thÕ n o. Nh ng biÕn thiªn mËt ®é cã thùc sù Ph©n tö «xy (O2) v Nit¬ (N2) l m th nh ®¸ng kÓ hay kh«ng? Chóng ta cã thÓ dïng phÇn lín khèi l îng cña khÝ quyÓn v ph ¬ng tr×nh tr¹ng th¸i ®Ó thÊy mét c¸ch tån t¹i ë mét tû phÇn kh«ng ®æi. C¸c hîp chÝnh x¸c nh÷ng biÕn thiªn nhiÖt ®é ¶nh phÇn kh¸c, Ýt h¬n cña khÝ quyÓn cã mÆt h ëng tíi mËt ®é kh«ng khÝ nh thÕ n o. víi nh÷ng l îng kh¸c nhau t¹i c¸c vÞ trÝ Muèn vËy, tr íc hÕt ta s¾p xÕp l¹i ph ¬ng v thêi gian kh¸c nhau, v do mçi hîp tr×nh ®ã nh sau: phÇn cã ph©n tö l îng riªng cña m×nh ρ = p / RT . (thÓ hiÖn cña khèi l îng t ¬ng ®èi cña B©y giê so s¸nh mËt ®é kh«ng khÝ trong c¸c ph©n tö), h m l îng t ¬ng ®èi cña hai tr êng hîp: mét ng y Êm víi nhiÖt ®é chóng cã thÓ ¶nh h ëng nhÑ tíi mËt ®é 308 K (35 oC hay 95 oF) v mét ng y l¹nh cña khÝ quyÓn. Trong sè c¸c chÊt khÝ ®ã, víi nhiÖt ®é 278 K (5 oC hay 41 oF). §Ó cho h¬i n íc th êng chiÕm kho¶ng 1 % khèi http://www.ebook.edu.vn 136
l îng kh«ng khÝ. Theo linh tÝnh, chóng ta Nh÷ng biÕn thiªn ®é Èm quan träng cã thÓ cho r»ng ®é Èm lín h¬n sÏ l m cho nh thÕ n o ®èi víi mËt ®é khÝ quyÓn? khÝ quyÓn ®Ëm ®Æc h¬n. Sù thËt th× ®iÒu B¹n cã thÓ kú väng r»ng v× l îng h¬i ng îc l¹i míi ®óng. n íc trong khÝ quyÓn nhá, nªn nh÷ng biÕn thiªn l kh«ng ®¸ng kÓ, v cã thÓ l H·y so s¸nh khèi l îng chøa trong b¹n nghÜ ®óng. ViÖc s¸t nhËp hÖ qu¶ cña c¸c ph©n tö riªng rÏ cña h¬i n íc v cña h m l îng Èm biÕn thiªn sÏ ®ßi hái ph¶i c¸c chÊt khÝ khÝ quyÓn phong phó nhÊt. thay ®æi chót Ýt ®èi víi ph ¬ng tr×nh Träng l îng ph©n tö nit¬ v «xy lÇn l ît tr¹ng th¸i. C¸c tÝnh to¸n sö dông c«ng l 28,01 v 32,00 v träng l îng trung thøc ®· ®iÒu chØnh cho thÊy r»ng ë nhiÖt b×nh cña khÝ quyÓn kh« l 28,5. MÆt kh¸c, ®é 15 oC (59 oF), mËt ®é kh«ng khÝ chØ h¬i n íc cã träng l îng ph©n tö chØ l chªnh lÖch 0,6 % khi t¨ng 1 % h¬i n íc 18,01. Do ®ã, nÕu tû phÇn kh«ng khÝ chøa (tõ kh«ng khÝ kh« ®Õn 1% h¬i n íc). h¬i n íc t¨ng, th× ph¶i kÐo theo sù suy _________________ gi¶m vÒ träng l îng trung b×nh cña khÝ * §Ó c©n b»ng c¸c ®¬n vÞ ®o, ph¶i chuyÓn c¸c quyÓn. Nãi c¸ch kh¸c, nÕu mäi thø kh¸c l ®¬n vÞ pascal (Pa) v jun (J) vÒ thø nguyªn c¬ nh nhau, th× kh«ng khÝ Èm sÏ Ýt ®Ëm ®Æc −1 −2 2 −2 b¶n: Pa = kg m s J = kgm s v . h¬n, “nhÑ” h¬n kh«ng khÝ kh«. ¸p kÕ hép C¸c ¸p kÕ thñy ng©n l nh÷ng dông cô cã ®é chÝnh x¸c cao, nh ng còng ®¾t tiÒn v kh«ng thuËn tiÖn khi di chuyÓn. Mét dông cô thay thÕ kh¸c ®Ó quan tr¾c ¸p suÊt l ¸p kÕ hép (aneroid barometer - cã nghÜa l “kh«ng dïng chÊt láng”) (h×nh 4.5a). ¸p kÕ hép t ¬ng ®èi rÎ tiÒn v cã thÓ còng chÝnh x¸c. Nã bao gåm mét hép cã thÓ co gi·n, tõ ®ã mét phÇn kh«ng khÝ bÞ lo¹i bá (b). Träng l îng cña khÝ quyÓn t¸c ®éng lªn hép v nÐn chóng víi mét l îng tû lÖ thuËn víi ¸p suÊt kh«ng khÝ. Mét thiÕt bÞ con trá kÕt nèi mét c¬ cÊu ®ßn bÈy v chØ thÞ ¸p suÊt kh«ng khÝ. H×nh 4.5. ¸p kÕ hép (a) v c¬ chÕ vËn h nh (b), ¸p ký (c) ¸p kÕ hép, th êng ® îc ®Æt trong nh , ph¶i ® îc hiÖu chuÈn ë lÇn l¾p ®Æt ®Çu tiªn. Ng êi dïng chØ cÇn biÕt ¸p suÊt mùc biÓn hiÖn t¹i v c i ®Æt thiÕt bÞ b»ng c¸ch vÆn nót chØnh ë mÆt sau cña vá m¸y. Do kh«ng cã chÊt láng gi·n në trong ¸p kÕ hép, nªn dông cô n y kh«ng ®ßi hái hiÖu chØnh nhiÖt ®é. Ngo i ra, c¸c hiÖu øng cña cao ®é v vÜ ®é ®· ® îc tÝnh ®Õn khi thiÕt bÞ n y ® îc hiÖu chuÈn lÇn ®Çu. Do ®ã, http://www.ebook.edu.vn 137
mét khi ®· hiÖu chuÈn, ¸p kÕ hép cho ta ¸p suÊt mùc biÓn kh«ng cÇn nh÷ng hiÖu chØnh v quy ®æi. §«i khi ta cÇn ghi ¸p suÊt liªn tôc trong thêi gian. Nh÷ng c¬ cÊu ¸p kÕ biÓu diÔn c¸c gi¸ trÞ liªn tôc cña ¸p suÊt ® îc gäi l c¸c ¸p ký (h×nh 4.5c). Mét trèng xoay (th êng ®Æt chÕ ®é xoay mét vßng mçi tuÇn) l m xoay b¨ng giÊy ®Ó ngßi bót vÏ nªn ®å thÞ cña ¸p suÊt biÕn ®æi. Sù ph©n bè ¸p suÊt Ph©n bè ¸p suÊt mùc biÓn trªn Tr¸i §Êt l ®Æc tr ng cùc kú quan träng v biÕn thiªn m¹nh cña khÝ quyÓn. §Ó hiÓn thÞ trùc quan sù ph©n bè ¸p suÊt, c¸c nh khÝ t îng häc vÏ nh÷ng ® êng gäi l c¸c ® êng ®¼ng ¸p trªn c¸c b¶n ®å thêi tiÕt. H×nh 4-6. Mét b¶n ®å thêi tiÕt biÓu diÔn ph©n bè ¸p suÊt mùc biÓn ng y 4-3-1994. L u ý ¸p suÊt t ¬ng ®èi thÊp ë vïng ®«ng b¾c n íc Mü v phÝa ®«ng Cana®a, vïng ¸p suÊt cao nhÊt v vïng ¸p suÊt thÊp nhÊt trªn b¶n ®å chØ chªnh lÖch víi nhau trong ph¹m vi kho¶ng 4 % Mçi ® êng ®¼ng ¸p ® îc vÏ sao cho nã nèi c¸c ®iÓm cã cïng ¸p suÊt mùc biÓn nh nhau v nh÷ng vÞ trÝ n»m gi÷a hai ® êng ®¼ng ¸p cã ¸p suÊt n»m gi÷a c¸c gi¸ trÞ ghi trªn hai ® êng ®¼ng ¸p. C¸c ® êng ®¼ng ¸p ® îc vÏ víi kho¶ng c¸ch 4 mb trªn b¶n ®å thêi tiÕt bÒ mÆt cña Mü, nªn chªnh lÖch ¸p suÊt gi÷a hai ® êng ®¼ng ¸p liÒn nhau sÏ nh nhau ë kh¾p n¬i trªn b¶n ®å. ¦u ®iÓm cña viÖc n y l ë chç kho¶ng c¸ch gi÷a c¸c ® êng ®¼ng ¸p kÕ cËn cung cÊp th«ng tin vÒ ¸p suÊt thay ®æi nhanh nh thÕ n o tõ n¬i n y ®Õn n¬i kh¸c. Nãi kh¸c ®i, kho¶ng c¸ch gi÷a c¸c ® êng ®¼ng ¸p chØ ra ®é lín cña gra®ien ¸p suÊt, hay tèc ®é biÕn ®æi ¸p suÊt, gièng nh kho¶ng c¸ch gi÷a c¸c ® êng ®¼ng nhiÖt thÓ hiÖn c¸c gradien nhiÖt ®é. Sù http://www.ebook.edu.vn 138
tËp trung d y xÝt c¸c ® êng ®¼ng ¸p cho thÊy mét gra®ien ¸p suÊt ®ét biÕn (¸p suÊt biÕn ®æi nhanh theo kho¶ng c¸ch), cßn c¸c ® êng ®¼ng ¸p th a thít cho thÊy mét gra®ien nhá. H×nh 4.6 biÓu diÔn ph©n bè ¸p suÊt mùc biÓn diÔn ra trong ng y 4-3-1994. ¸p suÊt trªn vïng New England v phÇn ®«ng nam cña Cana®a thÊp h¬n phÇn phÝa t©y v gra®ien ¸p suÊt lín ® îc thÊy ë phÇn phÝa ®«ng cña B¾c Mü. Gra®ien ¸p suÊt Gra®ien ¸p suÊt t¹o ra lùc ®Èy cho chuyÓn ®éng cña kh«ng khÝ m chóng ta gäi l giã. H·y t ëng t îng hai ng êi ®ang ®Èy nhau. Ng êi t¸c ®éng lùc lín h¬n sÏ ®Èy ng êi kia lïi l¹i v chªnh lÖch c¸c lùc t¸c ®éng c ng lín th× ng êi bÞ ®Èy sÏ di chuyÓn c ng nhanh. Quan niÖm n y còng ¸p dông ®èi víi kh«ng khÝ. NÕu kh«ng khÝ trªn mét khu vùc t¹o ra mét ¸p suÊt lín h¬n so víi kh«ng khÝ trªn mét vïng l©n cËn, th× kh«ng khÝ víi ¸p suÊt cao sÏ lan táa ra xung quanh h íng tíi vïng ¸p suÊt thÊp h¬n v t¹o th nh giã. Gra®ien ¸p suÊt t¹o ra mét lùc, gäi l lùc gra®ien ¸p suÊt, nã l m cho kh«ng khÝ chuyÓn ®éng. Víi c¸c gra®ien ¸p suÊt ® îc ®o t¹i ®é cao kh«ng ®æi, chóng ta dïng thuËt ng÷ lùc gra®ien ¸p suÊt ph ¬ng ngang v gäi chuyÓn ®éng kÕt qu¶ l giã. NÕu mäi thø kh¸c ®Òu nh nhau, th× lùc gra®ien ¸p suÊt c ng lín, tèc ®é giã c ng m¹nh. Gra®ien ¸p suÊt ph ¬ng ngang. B¶n ®å ¸p suÊt mùc biÓn trªn h×nh 4.6 rÊt ®iÓn h×nh, nã cã nh÷ng khu vùc ¸p suÊt thÊp v ¸p suÊt cao víi c êng ®é trung b×nh. L u ý r»ng nh÷ng biÕn thiªn ¸p suÊt trªn b¶n ®å n y l nhá. ¸p suÊt nhá nhÊt quan tr¾c ® îc l 977 mb, cßn ¸p suÊt lín nhÊt kho¶ng 1021 mb. Chªnh lÖch 44 mb ë ®©y thÓ hiÖn kho¶ng 4 % cña ¸p suÊt trung b×nh. Còng nªn l u ý r»ng kho¶ng c¸ch vËt lý ph©n chia c¸c khu vùc ¸p suÊt cao v ¸p suÊt thÊp b»ng kho¶ng 3000 km. Do ®ã, vÒ trung b×nh c¸c gra®ien ¸p suÊt trªn b¶n ®å n y cã cì 40 mb trªn 3000 km hay 1 mb trªn 75 km. Râ r ng, Ýt ra l ë quy m« lôc ®Þa c¸c gra®ien ¸p suÊt th êng nhá. ë mét quy m« nhá h¬n, c¸c gra®ien ¸p suÊt ngang cã thÓ lín h¬n. VÝ dô, nh÷ng trËn b·o cã gra®ien lín, sinh giã m¹nh v hñy diÖt. Nh ng thËm chÝ mét c¬n b·o cã thÓ cã ¸p suÊt ë phÇn bªn trong nã chØ kho¶ng 50 mb nhá h¬n so víi vïng bªn ngo i b·o c¸ch xa kho¶ng 300 km. Mét c¬n b·o nh thÕ cã thÓ cã biÕn thiªn ¸p suÊt 1 mb trªn kho¶ng c¸ch 6 km, t¹o ra mét ®é chªnh lÖch chØ kho¶ng 5% vÒ ¸p suÊt trªn mét kho¶ng c¸ch ®¸ng kÓ. VÊn ®Ò l thËm chÝ víi nh÷ng gra®ien ¸p suÊt ngang lín nhÊt, th× c¸c gra®ien ®ã vÉn l rÊt nhá so víi ¸p suÊt trung b×nh. §ã l ®iÒu t ¬ng ph¶n ®¸ng chó ý so víi c¸c gra®ien ¸p suÊt th¼ng ®øng, ë tr êng hîp n y, trong ph¹m vi mét kho¶ng c¸ch th¼ng ®øng chØ b»ng nöa km ¸p suÊt cã thÓ gi¶m 50 mb. Gra®ien ¸p suÊt th¼ng ®øng. Chóng ta ®· thÊy r»ng ¸p suÊt khÝ quyÓn lu«n lu«n gi¶m theo ®é cao. VÝ dô, trªn h×nh 4.3, h·y l u ý r»ng ¸p suÊt mùc biÓn trung b×nh b»ng 1013,2 mb gi¶m xuèng tíi 500 mb ë ®é cao 5640 m. Do ®ã, gra®ien ¸p suÊt th¼ng ®øng trung b×nh trong nöa bªn d íi cña khÝ quyÓn b»ng kho¶ng 500 mb trªn 5640 m, hay nhá h¬n 1 mb trªn tõng 10 m. H·y so s¸nh con sè n y víi gra®ien http://www.ebook.edu.vn 139
¸p suÊt ngang cña mét c¬n b·o trung b×nh m ta ®· thÊy b»ng kho¶ng 1 mb trªn 6000 m. Gra®ien ¸p suÊt th¼ng ®øng trung b×nh trong vÝ dô n y 600 lÇn lín h¬n so víi gra®ien ngang cùc trÞ liªn quan ®Õn mét c¬n b·o! Tãm l¹i, gra®ien ¸p suÊt th¼ng ®øng lín h¬n rÊt nhiÒu lÇn so víi biÕn thiªn ph ¬ng ngang cña ¸p suÊt. C©n b»ng thñy tÜnh B¹n ®· biÕt r»ng lùc gra®ien ¸p suÊt g©y ra giã thæi tõ n¬i ¸p suÊt cao ®Õn n¬i ¸p suÊt thÊp v r»ng ¸p suÊt gi¶m dÇn theo ®é cao. NhËn thøc ® îc hai ®iÒu n y, b¹n cã thÓ suy ra kÕt luËn r»ng giã ph¶i lu«n lu«n thæi tõ d íi lªn trªn. NÕu nh vËy, sÏ cã thÓ cã mét sè hËu qu¶ phiÒn phøc cho nh÷ng ai sèng trªn bÒ mÆt Tr¸i §Êt, hä sÏ ng¹t thë bëi v× to n bé kh«ng khÝ quanh chóng ta ch¾c ch¾n sÏ vung ra tho¸t v o vò trô do lùc gra®ien ¸p suÊt th¼ng ®øng. Tuy nhiªn, tr íc khi b¹n ho¶ng hèt, h·y xem xÐt tíi mét yÕu tè liªn quan thø hai: Träng lùc hót tÊt c¶ khèi l îng, kÓ c¶ khÝ quyÓn xuèng phÝa d íi. VËy t¹i sao khÝ quyÓn l¹i kh«ng ®æ sôp xuèng d íi, ®Õn c¸i n¬i m chóng ta cã thÓ chØ viÖc giang tay ra m ®ãn lÊy v hÝt thë kh«ng khÝ gi¸ng xuèng bÒ mÆt? Bëi v×, lùc gra®ien ¸p suÊt th¼ng ®øng v träng lùc th êng b»ng nhau vÒ gi¸ trÞ v t¸c ®éng trªn c¸c h íng ng îc chiÒu nhau, hiÖn tr¹ng n y ® îc gäi l c©n b»ng thñy tÜnh. Khi träng lùc ®óng b»ng lùc gra®ien ¸p suÊt th¼ng ®øng vÒ ®é lín, th× kh«ng xuÊt hiÖn gia tèc th¼ng ®øng. Khi träng lùc h¬i v ît tréi lùc gra®ien ¸p suÊt th¼ng ®øng, sÏ x¶y ra c¸c chuyÓn ®éng h íng xuèng phÝa d íi. Nh÷ng chuyÓn ®éng gi¸ng nh thÕ lu«n lu«n rÊt chËm. MÆt kh¸c, lùc gra®ien ¸p suÊt h íng lªn trªn ®«i khi v ît tréi träng lùc rÊt nhiÒu v cã thÓ sinh ra nh÷ng dßng th¨ng víi tèc ®é ®Õn 160 km/giê. §ã l thø m b¹n nh×n thÊy khi nh÷ng ®¸m m©y d y ®Æc lín lªn trong nh÷ng c¬n d«ng b·o. Vai trß cña mËt ®é trong sù c©n b»ng thñy tÜnh. MÆc dï c¸c lùc träng tr êng v gra®ien ¸p suÊt th¼ng ®øng th êng gÇn c©n b»ng nhau, song gi¸ trÞ chÝnh x¸c cña mçi lùc biÕn ®æi theo vÞ trÝ v theo thêi gian. Träng lùc h íng xuèng d íi trªn mét thÓ tÝch kh«ng khÝ tû lÖ thuËn víi khèi l îng cña nã (nhí r»ng lùc = khèi l îng × gia tèc), nªn khÝ quyÓn ®Ëm ®Æc chÞu mét träng lùc lín h¬n so víi khÝ quyÓn lo·ng. Do ®ã, nÕu khÝ quyÓn ®Ëm ®Æc muèn duy tr× trong c©n b»ng thñy tÜnh, th× nã ph¶i cã mét lùc gra®ien ¸p suÊt th¼ng ®øng lín h¬n ®Ó bï trõ träng lùc. Ta xÐt hai cét kh«ng khÝ nh nhau trªn h×nh 4.7a. NÕu cét ë bªn ph¶i ® îc l m nãng, nh trªn h×nh 4.7b, kh«ng khÝ gi·n në lªn phÝa trªn l m cho mËt ®é cña nã gi¶m ®i. Kh«ng cã sù thay ®æi vÒ khèi l îng, nªn ¸p suÊt vÉn l 1000 mb t¹i bÒ mÆt. Tuy nhiªn, ¸p suÊt mùc 500 mb cao h¬n tr íc v gra®ien ¸p suÊt th¼ng ®øng nhá h¬n. Nãi kh¸c ®i, cét ® îc l m nãng cã mËt ®é bÐ h¬n so víi cét kh«ng ® îc l m nãng, dÉn ®Õn mét gra®ien ¸p suÊt th¼ng ®øng nhá h¬n. NhËn xÐt ®¬n gi¶n n y cã mét sè hÖ qu¶ rÊt quan träng ®èi víi c¸c chuyÓn ®éng ph ¬ng ngang v ph¶i ® îc hiÓu cÆn kÏ tr íc khi tiÕp tôc. (§Ó biÕt nh÷ng chi tiÕt to¸n häc vÒ quan hÖ gi÷a mËt ®é v gra®ien ¸p suÊt th¼ng ®øng, xem chuyªn môc 4-3: Nh÷ng nguyªn lý vËt lý: Ph ¬ng tr×nh thñy tÜnh). http://www.ebook.edu.vn 140
H×nh 4.7. Hai cét kh«ng khÝ víi c¸c nhiÖt ®é, ¸p suÊt v mËt ®é b»ng nhau (a). L m nãng cét bªn ph¶i (b) l m cho nã gi·n në lªn phÝa trªn. Nã vÉn gi÷ nguyªn khèi l îng, nh ng cã mËt ®é bÐ h¬n ®Ó bï l¹i cho ®é cao lín h¬n. V× chªnh lÖch ¸p suÊt gi÷a ®¸y v ®Ønh vÉn l 500 mb, nªn gra®ien ¸p suÊt th¼ng ®øng bÐ h¬n Gra®ien ¸p suÊt ngang trong líp khÝ quyÓn trªn cao Nh chóng ta ®· thÊy, ¸p suÊt khÝ quyÓn gi¶m nhanh h¬n theo ®é cao ë trong cét kh«ng khÝ l¹nh v ®Ëm ®Æc. Xem h×nh 4.7b, b¹n cã thÓ thÊy r»ng t¹i ®é cao cña “®Ønh” cña cét l¹nh, n¬i ¸p suÊt b»ng 500 mb, ¸p suÊt lín h¬n so víi 500 mb ë trong cét Êm. Nãi c¸ch kh¸c, cã mét gra®ien ¸p suÊt ngang ë líp khÝ quyÓn trung b×nh, ¸p suÊt thÊp h¬n ë trong cét l¹nh. Mét c¸ch t ¬ng ® ¬ng, ®é cao cña mùc 500 mb thÊp h¬n ë trong cét l¹nh. N¬i n o gra®ien ¸p suÊt ngang tån t¹i, ë ®ã ph¶i cã ®é xiªn cña c¸c ® êng ®¼ng ¸p sao cho c¸c ®é cao gi¶m vÒ phÝa kh«ng khÝ l¹nh h¬n. § îc biÕt r»ng lùc gra®ien ¸p suÊt ngang tû lÖ thuËn víi ®é xiªn cña c¸c ® êng ®¼ng ¸p. NÕu biÕt ®é xiªn, ta biÕt lùc gra®ien ¸p suÊt. H×nh 4.8 biÓu diÔn sù ph©n bè cña mùc 500 mb trong khÝ quyÓn lý t ëng, víi nhiÖt ®é gi¶m dÇn ®Òu vÒ phÝa cùc B¾c (®Ó ®¬n gi¶n, chóng ta gi¶ thiÕt ¸p suÊt mùc biÓn ®ång nhÊt). Chó ý sù gi¶m cña nhiÖt ®é phÝa cùc g©y nªn sù gi¶m ®é vÒ cao cña mùc 500 mb, bÒ mÆt nghiªng xuèng d íi vÒ phÝa kh«ng khÝ l¹nh h¬n. ë “d íi ®¸y” cña biÓu ®å l nh÷ng ® êng ®ång møc biÓu diÔn ®é cao cña mÆt 500 mb. Nh·n http://www.ebook.edu.vn 141
hiÖu cña c¸c ® êng ®ång møc cho biÕt b¹n ph¶i lªn cao bao nhiªu ®Ó thÊy ® îc ¸p suÊt 500 mb. VÝ dô, nÕu b¹n ®øng trªn mét ® êng cã nh·n 5500 m, th× mÆt 500 mb sÏ ë cao 5,5 km bªn trªn b¹n. C¸c ®é cao n y gi¶m vÒ phÝa b¾c; do ®ã, c¸c gi¸ trÞ cña ® êng ®ång møc còng gi¶m vÒ phÝa b¾c. H×nh 4.8. NhiÖt ®é trung b×nh gi¶m dÇn vÒ phÝa cùc l m cho kh«ng khÝ nÆng h¬n ë c¸c vÜ ®é cao. Theo ph ¬ng tr×nh thñy tÜnh, ¸p suÊt gi¶m nhanh h¬n theo ®é cao t¹i c¸c vÜ ®é cao v l m gi¶m ®é cao cña mùc 500 mb. C¸c ® êng g¹ch nèi chØ ®é cao cña mùc 500 mb gièng nh nÕu chóng ® îc vÏ trªn b¶n ®å thêi tiÕt mùc 500 mb §Ó hai vÕ c©n b»ng, vÕ ph¶i còng ph¶i ©m. 4-3: Nh÷ng nguyªn lý vËt lý: Nh vËy, ph ¬ng tr×nh thñy tÜnh Ph ¬ng tr×nh thñy tÜnh nãi r»ng tèc ®é suy gi¶m cña ¸p suÊt víi ®é cao b»ng tÝch cña mËt ®é kh«ng khÝ v gia tèc trong lùc. Nh ng v× gia tèc Kh¸i niÖm vÒ sù c©n b»ng thñy tÜnh träng lùc ® îc coi thùc tÕ l h»ng sè, nªn (trong ®ã lùc gra®ien ¸p suÊt th¼ng ®øng tèc ®é gi¶m ¸p suÊt theo ®é cao ® îc b»ng v ng îc h íng víi träng lùc) cã thÓ quyÕt ®Þnh hÇu nh ho n to n bëi mËt tãm t¾t ng¾n gän b»ng ph ¬ng tr×nh ®é cña khÝ quyÓn. Cô thÓ l , kh«ng khÝ thñy tÜnh: Δp cã mËt ®é cao h¬n th× cã gra®ien ¸p suÊt = −ρ g . th¼ng ®øng lín h¬n. Δz Theo quy íc, ký hiÖu delta ( Δ ) cã Víi t c¸ch l m vÝ dô, ta so s¸nh hai cét kh«ng khÝ ë h×nh 4.7b, gi¶ sö c¸c nghÜa l “biÕn thiªn”. Trong tr êng hîp n y, Δp l biÕn thiªn cña ¸p suÊt, cßn Δz nhiÖt ®é cña chóng l 40 oC v 0 oC. Sö l biÕn thiªn cña ®é cao. VËy, Δp / Δz ë vÕ dông ¸p suÊt bÒ mÆt l 1000 mb, ph ¬ng tr×nh tr¹ng th¸i cho mËt ®é cña kh«ng tr¸i ph ¬ng tr×nh l biÕn thiªn cña ¸p khÝ nãng l 1,1 kg/m3. T¹i cïng ¸p suÊt, suÊt trªn mét ®¬n vÞ t¨ng ®é cao. kh«ng khÝ l¹nh ph¶i cã mËt ®é lín h¬n, ë Chóng ta ®· gÆp ký hiÖu ρ v g tr êng hîp n y l 1,3 kg/m3. NÕu chÊp tr íc ®©y cho mËt ®é v gia tèc träng lùc. nhËn sù c©n b»ng thñy tÜnh, c¸c gra®ien DÊu trõ ë vÕ ph¶i l ®Ó tÝnh ®Õn ¸p suÊt ¸p suÊt th¼ng ®øng t¹i bÒ mÆt t ¬ng gi¶m theo ®é cao; tøc l vÕ tr¸i lu«n ©m. øng l : http://www.ebook.edu.vn 142
Cét kh«ng khÝ nãng: §iÒu n y kh¼ng ®Þnh lËp luËn cña chóng ta tr íc ®©y, r»ng ¸p suÊt gi¶m Δp = −1,1 ( 9,8 ) = −10,8 Pa/m . nhanh h¬n trong mét cét kh«ng khÝ Δz l¹nh, nÆng so víi mét cét kh«ng khÝ Êm. Cét kh«ng khÝ l¹nh: Nh chóng ta ®· b n luËn ë phÇn chÝnh Δp v¨n, hiÖn t îng n y g©y nªn mét = −1,3 ( 9,8 ) = −12,8 Pa/m . gra®ien ¸p suÊt ngang ë líp trªn gi÷a Δz kh«ng khÝ nãng v l¹nh. H×nh 4.9. Ph©n bè cña ®é cao mùc 500 mb ng y 3-5-1995 (® êng ®ång møc ®é cao ghi nh·n b»ng ®¬n vÞ ®ÒcamÐt) H×nh 4.9 biÓu diÔn mét b¶n ®å 500 mb thùc cña ng y 3-5-1995. C¸c ® êng ®ång møc ®é cao ® îc ®¸nh nh·n l ®ÒcamÐt (1 Dm = 10 m). VËy c¸c ®é cao biÕn thiªn tõ 5880 m ë phÝa nam ®Õn 5220 m ë cËn t©y b¾c. Nh÷ng ® êng ®ång møc cña http://www.ebook.edu.vn 143
c¸c b¶n ®å 500 mb ® îc vÏ c¸ch nhau tõng 60 m (tøc 6 Dm). Nh×n chung, bøc tranh n y phï hîp víi sù gi¶m vÒ ®é cao tõ phÝa nam lªn phÝa b¾c, tu©n theo gra®ien nhiÖt ®é tõ phÝa nam ®Õn phÝa b¾c. N¬i n o c¸c ® êng ®ång møc ®é cao gÇn xÝt víi nhau, th× lùc gra®ien ¸p suÊt sÏ lín. V× vËy, v o ng y n y, giã ë mùc trªn cao m¹nh nhÊt ë bªn trªn Newfoundland, tèc ®é 160 km/giê. Bªn trªn Nebraska, lùc gra®ien ¸p suÊt yÕu h¬n rÊt nhiÒu v giã chØ b»ng 35 km/giê. Chó ý r»ng biªn ®é cña c¸c ®é cao chØ b»ng kho¶ng 660 m tõ n¬i cao nhÊt ®Õn n¬i thÊp nhÊt, biÕn thiªn b»ng kho¶ng 10 % trªn mét kho¶ng c¸ch lín. Gièng nh c¸c gra®ien ¸p suÊt ngang t¹i bÒ mÆt, c¸c gra®ien ¸p suÊt ë líp khÝ quyÓn trªn cao còng nhá v c¸c mÆt ¸p suÊt gÇn nh n»m ngang. MÆc dï vËy, nh÷ng gra®ien yÕu ít n y cã thÓ g©y nªn gia tèc ®¸ng kÓ v giã m¹nh, ®Æc biÖt trong líp khÝ quyÓn trªn cao, n¬i gÇn nh kh«ng cã ma s¸t v mËt ®é nhá. C¸c b¶n ®å mùc trªn cao ® îc C¬ quan Thêi tiÕt Quèc gia Hoa Kú v c¸c c¬ quan t ¬ng tù ë c¸c quèc gia kh¸c x©y dùng hai lÇn mét ng y. Nh÷ng b¶n ®å n y cùc kú quan träng trong c«ng t¸c dù b¸o thêi tiÕt, nh chóng ta sÏ b n ®Õn ë ch ¬ng 13. Ngo i b¶n ®å mùc 500 mb, c¸c b¶n ®å t ¬ng tù còng ® îc x©y dùng cho c¸c mùc 850, 700 v 300 mb. Nh÷ng b¶n ®å n y øng víi c¸c ®iÒu kiÖn ë kho¶ng tuÇn tù 1500, 3000 v 13000 m trªn mùc n íc biÓn. H·y nhí r»ng nh÷ng b¶n ®å ®ã biÓu diÔn ®é cao thay ®æi cña tõng mùc ¸p suÊt riªng biÖt. Nh÷ng lùc ¶nh h ëng tíi tèc ®é v h íng giã Sù ph©n bè kh«ng ®ång ®Òu cña kh«ng khÝ trªn Tr¸i §Êt ®· t¹o ra c¸c gra®ien ¸p suÊt ngang, khëi ®éng chuyÓn ®éng kh«ng khÝ v g©y ra giã. NÕu nh kh«ng cã c¸c lùc kh¸c tham gia, th× giã sÏ lu«n thæi theo h íng cña lùc gra®ien ¸p suÊt. Tuy nhiªn, t×nh h×nh bÞ phøc t¹p h¬n do t¸c ®éng cña hai lùc kh¸c. Lùc thø nhÊt sinh ra do sù quay cña Tr¸i §Êt v l m thay ®æi h íng giã. Lùc thø hai, ma s¸t, l m c¶n trë giã. Lùc Coriolis Lùc gra®ien ¸p suÊt l m cho kh«ng khÝ chuyÓn ®éng tõ n¬i ¸p suÊt cao ®Õn n¬i ¸p suÊt thÊp h¬n, v ®é lín cña lùc gra®ien ¸p suÊt chÞu tr¸ch nhiÖm chÝnh quyÕt ®Þnh c êng ®é cña giã. Nh ng ®Ó hiÓu h íng ®i cña giã, b¹n ph¶i xÐt ®Õn sù xoay cña Tr¸i §Êt, nã g©y nªn sù lÖch h íng biÓu kiÕn (quay) cña giã. HiÖn t îng n y, gäi l lùc Coriolis * (hoÆc hiÖu øng Coriolis), còng l nguyªn nh©n ®æi h íng bay cña c¸c viªn ®¹n sóng thÇn c«ng, chim di c v m¸y bay ph¶n lùc. ThËt vËy, nã ¶nh h ëng tíi mäi thø di chuyÓn trong mét h íng n o ®ã. §Ó xÐt hiÖu øng m sù xoay cña Tr¸i ®Êt t¸c ®éng lªn c¸c vËt chuyÓn ®éng, h·y t ëng t îng mét nÒn xoay ng îc chiÒu kim ®ång hå nh trªn h×nh 4.10. (H×nh n y ® îc lÊy trùc tiÕp tõ phÇn b i H íng dÉn vÒ lùc Coriolis trong ®Üa CD kÌm theo * Theo tªn cña G. G. Coriolis (1792-1843), ng êi ® a ra gi¶i thÝch to¸n häc ®Çu tiªn cho hiÖn t îng n y. http://www.ebook.edu.vn 144
cuèn s¸ch n y. Ng êi h íng dÉn biÓu diÔn nh÷ng chuyÓn ®éng thùc t ¬ng ®èi so víi mét nÒn xoay, v do ®ã, minh häa hiÖn t îng theo mét c¸ch kh«ng thÓ lÆp l¹i b»ng c¸c h×nh vÏ tÜnh. B¹n rÊt nªn tËn dông b i h íng dÉn n y). Khi mét viªn ®¹n chuyÓn ®éng theo mét h íng th¼ng, nã l în th nh mét ® êng cong t ¬ng ®èi so víi nÒn quay ë d íi nã. §iÒu n y còng chÝnh x¸c gièng nh hiÖn t îng cã thÓ x¶y ra nÕu nh hai ng êi ë trªn vßng ®u xoay ®ang quay quan s¸t mét qu¶ bãng ®ang bay ngay ë phÝa tr íc. ThËm chÝ nÕu nh qu¶ bãng lóc ®Çu chuyÓn ®éng th¼ng tíi mét trong hai ng êi, th× ng êi Êy còng kh«ng thÓ b¾t ® îc qu¶ bãng, v× anh ta hoÆc chÞ ta ®· bÞ di chuyÓn ra khái ® êng ®i cña qu¶ bãng bëi sù quay cña chiÕc ®u. §èi víi ng êi ®øng trªn nÒn, qu¶ bãng sÏ nh l quay ngoÆt sang bªn ph¶i nã (gi¶ sö nÒn xoay theo h íng ng îc chiÒu kim ®ång hå), thËm chÝ anh ta ®· nghÜ trong thùc tÕ nã ®ang chuyÓn ®éng trªn mét ® êng th¼ng. H×nh 4.10. Khi vËt di chuyÓn trªn mét bÒ mÆt xoay, chuyÓn ®éng cña vËt tá ra lÖch khái ®Ých. Qu¶ bãng ë t©m cña nÒn xoay ng îc chiÒu kim ®ång hå ë (a) chuÈn bÞ di chuyÓn vÒ phÝa ®Ých t¹i ®Ønh cña h×nh vÏ. Khi qu¶ bãng di chuyÓn vÒ phÝa ®Ých, sù xoay cña nÒn l m cho ®Ých di dêi khái vÞ trÝ ban ®Çu cña nã. §iÒu n y tiÕp diÔn khi qu¶ bãng di chuyÓn khái t©m (b) v (c), th nh thö ®Õn lóc nã tíi gÇn r×a cña nÒn th× qu¶ bãng h×nh nh ®· ngoÆt vÒ bªn ph¶i cña nã (d). V× tÊt c¶ c¸c ®iÓm trªn Tr¸i §Êt (ngo¹i trõ däc theo xÝch ®¹o) ®Òu xoay, tÊt c¶ c¸c vËt thÓ ®Òu chÞu sù di dêi biÓu kiÕn n y cña mét lùc gäi l lùc Coriolis. Lùc n y kh«ng chØ t¸c ®éng tíi nh÷ng viªn ®¹n, nã cßn t¸c ®éng tíi chuyÓn ®éng cña khÝ quyÓn Cïng hiÖn t îng n y cã thÓ dÔ d ng h×nh dung ë trªn B¾c Cùc cña Tr¸i §Êt. Do B¾c b¸n cÇu xoay theo chiÒu ng îc chiÒu kim ®ång hå (mÆc dï chËm h¬n nhiÒu so s¸nh víi ®u quay), mét vËt chuyÓn ®éng qua cùc sÏ biÓu lé quü ®¹o cong biÓu kiÕn ®óng nh vËy. HiÖn t îng n y còng ¸p dông ®èi víi giã, nªn kh«ng khÝ chuyÓn ®éng theo mét ® êng th¼ng qua B¾c Cùc ®èi víi chóng ta ë trªn mÆt Tr¸i §Êt nh quay sang bªn ph¶i. Sù lÖch h íng nh vËy cã x¶y ra ë xÝch ®¹o kh«ng? C©u tr¶ lêi http://www.ebook.edu.vn 145
l kh«ng, v× sù xoay 24 giê cña h nh tinh kh«ng t¹o ra chuyÓn ®éng xoay t¹i xÝch ®¹o. Ng îc l¹i, mét ®iÓm bÊt kú trªn bÒ mÆt cña xÝch ®¹o di chuyÓn 40 000 km quanh trôc cña Tr¸i §Êt. N¬i gi÷a xÝch ®¹o v c¸c cùc, cã sù t¨ng dÇn vÒ ®é lín cña lùc Coriolis khi vÜ ®é t¨ng. Mèi liªn hÖ gi÷a vÜ ®é v ®é lín cña lùc Coriolis ë Nam b¸n cÇu còng gi÷ nguyªn nh vËy, víi mét kh¸c biÖt duy nhÊt l sù lÖch h íng biÓu kiÕn sang phÝa tr¸i, chø kh«ng ph¶i l sang phÝa ph¶i, v× Nam b¸n cÇu xoay theo chiÒu cïng kim ®ång hå. §é lín cña lùc Coriolis t¨ng theo tèc ®é giã. ViÖc n y tho¹t ®Çu cã vÎ tr¸i víi linh nghiÖm, nh ng rÊt quan träng ph¶i nhËn biÕt. Lùc Coriolis tham gia v o l m quay h íng, sù quay h íng diÔn ra trong mét gia l îng thêi gian ®ang xÐt (vÝ dô, mét gi©y) - chø kh«ng ph¶i l tæng l îng quay h íng diÔn ra trong thêi gian mét vËt di chuyÓn tõ mét vÞ trÝ cô thÓ tíi vÞ trÝ kh¸c. H·y c©n nh¾c: nÕu mét vËt cã tèc ®é cùc tiÓu cã thÓ (b»ng 0), nã kh«ng bÞ quay h íng. Mét vËt di chuyÓn rÊt chËm cã thÓ bÞ quay h íng chËm d·i, nh ng trong mét gia l îng thêi gian ng¾n n o ®ã sù quay h íng cã thÓ l cùc tiÓu. Mét vËt chuyÓn ®éng nhanh sÏ di chuyÓn trªn mét kho¶ng c¸ch ®¸ng kÓ trong cïng thêi kho¶ng v do ®ã bÞ quay h íng nhiÒu h¬n. vÒ bªn ph¶i, mÆc dï chóng ta biÕt qu¶ bãng ®· ®i trªn mét ® êng th¼ng. 4-4: Nh÷ng nguyªn lý vËt lý: §é lín cña lùc Coriolis ® îc x¸c HiÖu øng Coriolis ®Þnh b»ng tèc ®é m h nh tinh quay (h»ng sè), tèc ®é cña vËt (hoÆc giã) khi nã chuyÓn ®éng qua bÒ mÆt v vÜ ®é. Mét Khi m« t¶ giã v nh÷ng chuyÓn ®éng c¸ch chÝnh x¸c h¬n, ®é lín ®ã cã thÓ biÓu kh¸c, chóng ta ph¶i theo quy íc lÊy bÒ diÔn b»ng mÆt l m mét khung tham chiÕu. VÝ dô, FC = 2Ω v sin ϕ , khi chóng ta nãi giã 10 m/s, cã nghÜa l trong ®ã FC l lùc Coriolis, Ω l tèc ®é kh«ng khÝ di chuyÓn qua bÒ mÆt víi tèc ®é 10 m/s. Do bÒ mÆt xoay, chóng ta m« t¶ xoay cña Tr¸i §Êt (1 vßng trong ng y), v l tèc ®é giã v ϕ l vÜ ®é (l u ý r»ng t¹i c¸c chuyÓn ®éng t ¬ng ®èi so víi khung tham chiÕu ®ang xoay. KÕt qu¶ l mét vËt xÝch ®¹o sin ϕ = 0 v kh«ng cã lùc chuyÓn ®éng trªn mét ® êng th¼ng so víi Coriolis). Nh ®· viÕt ë ®©y, ph ¬ng c¸c ng«i sao th nh ra ®i theo mét ® êng tr×nh cho lùc Coriolis cña khèi l îng ®¬n vßng cung trªn bÒ mÆt Tr¸i §Êt, nh trªn vÞ, nghÜa l lùc cña 1 kg kh«ng khÝ h×nh 4.10. Trªn h×nh 4.10a, qu¶ bãng chuyÓn ®éng. NÕu kÕt hîp th«ng tin víi ®ang n»m t¹i t©m cña mét nÒn xoay ng îc ®Þnh luËt thø hai cña Newton, theo ®ã chiÒu kim ®ång hå. Khi nã di chuyÓn vÒ gia tèc l lùc cña khèi l îng ®¬n vÞ, phÝa mèc chèt (b) v (c), th× nÒn ®ang xoay chóng ta thÊy r»ng FC l mét gia tèc - ë phÝa n¬i qu¶ bãng. §Õn lóc qu¶ bãng ®¹t cô thÓ l gia tèc Coriolis. Nh vËy, tõ tíi r×a (d), mÆt nÒn ®· quay ®i ®¸ng kÓ v nay vÒ sau chóng ta kh«ng cÇn bËn t©m mèc chèt môc tiªu cña qu¶ bãng còng thÕ. ph©n biÖt gi÷a gia tèc Coriolis v lùc NÕu dïng mÆt nÒn l m mét khung tham Coriolis, m sÏ sö dông hai ®¹i l îng ®ã chiÕu, qu¶ bãng th nh ra ®· bÞ quay ngoÆt thay thÕ lÉn nhau. Sau khi nghiªn cøu b i chØ dÉn trªn ®Üa CD vÒ chñ ®Ò n y, chóng ta nªn n¾m v÷ng bèn ®Æc ®iÓm c¬ b¶n sau ®©y cña lùc Coriolis: http://www.ebook.edu.vn 146