Bài giảng Thời tiết khí hậu: Chương 4- Áp suất khí quyển và gió

127 Ch€ơng 4 áp suất khí quyển vˆ gió Gió có thể gây tác động trực tiếp lên cảm giác của chúng ta kể cả trong điều kiện thời tiết dịu nhất. Một cơn gió nhẹ có thể lm cho một buổi chiều nóng nực trở nên dễ chịu hơn, hoặc nó có thể lm cho một đêm đông trở thnh rất lạnh. Nh‡ng đôi khi, chuyển động không khí có thể tác động tới cuộc sống chúng ta theo những cách mạnh mẽ hơn nhiều. C‡ dân các vùng phía đông Washington v Oregon vẫn nhớ mãi về điều ny vo ngy 25 tháng 9 năm 1999, khi ấy gió mạnh tới 135 km/giờ gây nên một trận bão cát mù mịt kéo theo một loạt tai họa. Trong ngy hôm ấy, 6 ng‡ời bị thiệt mạng, 23 ng‡ời bị th‡ơng, nhiều đoạn đ‡ờng cao tốc bị ngừng trệ hon ton trong nhiều giờ. Điều tồi tệ nhất trong số các tai họa giao thông đã xảy ra trên xa lộ liên bang số 84 ở vùng đông bắc Oregon. Ông gi 58 tuổi Harold Fell đã diễn tả lại trải nghiệm của mình: “Một chiếc xe tải 18 bánh đã lao vụt qua chúng tôi v điều tiếp sau m tôi đ‡ợc biết l nó dừng sững ngay giữa đ‡ờng. Nó đứng sừng sững ngay tr‡ớc mặt tôi”. Fell v vợ ông chỉ bị th‡ơng nhẹ, nh‡ng chắc chắn họ phải thấy mình đã may mắn lm sao khi đ‡ợc chứng kiến cảnh t‡ợng tai họa v nhận ra 4 ng‡ời thiệt mạng giữa đống vỡ vụn của 16 chiếc xe khác bị dính. Dù l chúng ta thi thoảng có quan tâm đến tình hình gió, song ít ng‡ời trong chúng ta chú ý nhiều tới một thnh tố rất liên quan của thời tiết - đó l áp suất khí quyển. Thử hỏi, đã bao nhiêu lần bạn hủy bỏ cuộc dã ngoại bởi áp suất rất thấp? Hay bạn thấy bao nhiêu ng‡ời có quần áo chuyên dụng cho những ngy áp cao? Mặc dù hiếm khi đ‡ợc chú ý đến trong cuộc sống hng ngy, nh‡ng áp suất không khí ảnh h‡ởng rất sâu sắc tới những thông số thời tiết khác có tác động một cách trực tiếp hơn nhiều. Ví dụ, những biến thiên theo ph‡ơng ngang của áp suất khí quyển l nguyên nhân trực tiếp của chuyển động gió. V bởi vì không khí giáng xuống ở các khu vực áp suất bề mặt cao v thăng lên ở các vùng áp suất bề mặt thấp, nên những chênh lệch áp suất tác động mạnh tới xác suất hình thnh mây v giáng thủy. Ch‡ơng ny giới thiệu những khái niệm cơ bản về áp suất v phân bố áp suất theo ph‡ơng thẳng đứng v ph‡ơng ngang. Chúng ta xem xét quan hệ giữa áp suất v những tham số khí quyển khác, các quá trình gây nên biến đổi áp suất theo ph‡ơng ngang v thẳng đứng. Trên cơ sở ny, chúng ta có thể tiến tới xem xét các hình thế bão ở những ch‡ơng sau. Khái niệm về áp suất Khí quyển chứa một số l‡ợng lớn các phân tử khí bị lôi kéo về phía Trái Đất bởi lực trọng tr‡ờng. Các phân tử ny tác động một lực lên tất cả các bề mặt m chúng tiếp xúc v phần lực ny tác động lên một đơn vị diện tích bề mặt l áp suất (xem chuyên mục 4-1: Những nguyên lý vật lý: Vận tốc, gia tốc, lực vu áp suất). Tất nhiên, khái niệm áp suất không chỉ liên quan tới khí t‡ợng học, m l cơ sở của tất cả các khoa học vật lý. Trong hầu hết các ứng dụng khoa học vật lý, đơn vị chuẩn của áp suất l Pascal (Pa), nh‡ng ở Mỹ, các nh khí t‡ợng dùng milliba (mb), bằng 100 Pa. Các nh khí t‡ợng ở Canađa lại sử dụng một đơn vị khác - kilôpascal (kPa), bằng 1000 Pa, hay 10 mb. Để so sánh, áp suất tại mực n‡ớc biển điển hình bằng khoảng 1000 mb (100 kPa) – hoặc chính xác hơn l 1013,2 mb. Hình 4.1. Chuyển động của các phân tử không khí (biểu diễn bằng các chấm với những mũi tên) trong một hộp chứa kín tác động một áp suất lên các th†nh bên trong (a). áp suất có thể tăng lên bằng cách l†m tăng mật độ các phân tử (b) hoặc l†m tăng nhiệt độ (c). Tốc độ của các phân tử (v† do đó nhiệt độ) đ~ợc biểu diễn bằng mức độ xám v† độ d†i của các mũi tên. 129 Để hiểu các tính chất của áp suất, hãy xem hình 4.1 mô tả một hộp không khí đóng kín. Các phân tử khí bị giam không ngừng chuyển động qua lại v tác động một áp suất lên thnh phía trong của hộp (a). áp suất không khí tỷ lệ thuận với số lần va chạm giữa phân tử khí v thnh hộp. Chúng ta có thể lm tăng áp suất bằng hai cách. Cách thứ nhất l tăng mật độ không khí bằng cách bơm không khí vo hộp hoặc lm giảm thể tích hộp (b). Cách thứ hai l lm tăng nhiệt độ không khí, trong tr‡ờng hợp ny, các phân tử khí tác động áp suất lớn hơn vì chúng chuyển động nhanh hơn (c). Nh‡ vậy, áp suất thể hiện cả mật độ v nhiệt độ của chất khí. Nếu không khí trong hộp l một hỗn hợp các chất khí (nh‡ trong khí quyển), mỗi chất khí gây ra l‡ợng áp suất riêng của nó, gọi l áp suất riêng phần. áp suất tổng cộng tác động bằng tổng của các áp suất riêng phần. Quan hệ ny đ‡ợc biết đến nh‡ l định luật Dalton. Trên Trái Đất, hộp chứa đ‡ợc bao quanh bởi khí quyển, nó tạo ra áp suất lên thnh hộp bên ngoi. Bây giờ, xem điều gì sẽ xảy ra nếu chúng ta mở nắp hộp hoặc lm một lỗ thủng ở cạnh hộp. Nếu áp suất ở bên ngoui hộp chứa lớn hơn áp suất ở bên trong, không khí bên ngoi sẽ bị dồn vo bên trong cho đến khi áp suất bằng nhau. (Lực để tạo cân bằng ny chính l cái đã tạo ra tiếng rít khi bạn mở một hộp c phê đ‡ợc rút chân không). Mặt khác, nếu nh‡ áp suất ở bên trong hộp chứa lớn hơn, không khí sẽ bị dồn ra ngoi cho đến khi áp suất bên trong giảm để bằng không khí xung quanh. Trong cả hai tr‡ờng hợp, trong khoảnh khắc áp suất không khí tác động lên phía ngoi của hộp chứa sẽ trở thnh đúng bằng áp suất ở bên trong. Thí dụ ny dẫn ta đến một đặc điểm khác của không khí: nó luôn di chuyển để tạo ra một sự cân bằng giữa các khu vực áp suất cao v thấp. Cái m chúng ta trải nghiệm đ‡ợc nh‡ l áp suất khí quyển thực ra l khối l‡ợng của không khí ở bên trên chúng ta bị lôi kéo xuống phía d‡ới bởi trọng lực. Nói cách khác, áp suất tại điểm no đó phản ánh khối l‡ợng khí quyển bên trên điểm ấy. Khi chúng ta cng đi lên cao trong khí quyển, khối l‡ợng khí quyển phía trên phải giảm v áp suất cũng phải giảm. Chúng ta cảm nhận đ‡ợc sự thay đổi đó, ví dụ trong chiếc thang máy đi lên nhanh, ở đó sự giảm áp suất có thể dẫn đến ù tai. Nhớ rằng áp suất l biến duy nhất luôn giảm theo ph‡ơng thẳng đứng trong số các biến khí quyển. Các biến khác (nh‡ nhiệt độ, độ ẩm v mật độ) không nhất thiết phải diễn biến nh‡ vậy. Mặc dù thực tế l khí quyển bị lôi cuốn xuống phía d‡ới bởi trọng lực, áp suất tác động nh‡ nhau trong tất cả các h‡ớng - lên trên, xuống d‡ới v sang ngang. Hãy nhớ lại tr‡ờng hợp hộp chứa đóng kín m chúng ta vừa mô tả với áp suất bên trong lớn hơn bên ngoi. Bất kể l hộp chứa bị khoan lỗ trên một cạnh hộp, ở đáy hộp hay ở đỉnh hộp thì áp suất lớn hơn ở bên trong vẫn lm cho không khí bị đẩy ra ngoi. Đây l một cách khác để nhận ra thực tế l áp suất không khí tác động nh‡ nhau trong tất cả các h‡ớng. Hãy giữ cho cánh tay bạn thẳng ngang. Không khí đẩy lên cánh tay bạn, không chỉ đẩy xuống phía d‡ới, còn đẩy dọc theo cánh tay v hon ton nh‡ nhau đẩy từ phía d‡ới lên.* Nếu nh‡ áp suất chỉ tác động xuống d‡ới, trọng l‡ợng của không khí sẽ lớn đến nỗi thậm chí ng‡ời khỏe nhất cũng không thể giang cánh tay ra đ‡ợc. Trọng l‡ợng lớn ny lớn nh‡ thế no? Trong điều kiện bình th‡ờng tại mực n‡ớc biển, lực ny bằng 14,7 pao trên mỗi inch vuông – đó l một tải trọng rất nặng đối với một cánh tay thậm chí ngắn. Biến thiên áp suất theo ph~ơng thẳng đứng v† ph~ơng ngang Để hiểu về gió, chúng ta cần đo v so sánh các chênh lệch về áp suất tăng tại những vị trí khác nhau, bởi vì những chênh lệch đó tạo ra các chuyển động ph‡ơng ngang của không khí. Nh‡ng công việc ny phức tạp do một thực tế l cao độ thay đổi từ nơi ny đến nơi khác. (Nhớ lại rằng các cao độ lớn có áp suất thấp, đơn giản vì ở đó không khí bên trên ít hơn). Nếu chúng ta chỉ dùng số liệu đo bề mặt để so sánh, thì không thể phân tách các hiệu ứng của cao độ ra khỏi các chênh lệch áp suất gây gió. Để khắc phục vấn đề ny, các nh khí t‡ợng học đã dùng khái niệm áp suất mực n‡ớc biển. áp suất bề mặt l áp suất thực sự quan trắc đ‡ợc tại một vị trí cụ thể, còn áp suất mực biển l áp suất sẽ tồn tại nếu nh‡ điểm quan trắc nằm tại mực n‡ớc biển. Vì phần lớn bề mặt đất đều ở bên trên mực biển, nên áp suất bề mặt th‡ờng l thấp hơn trong hai áp suất. Ví dụ, hãy so sánh các áp suất bề mặt tại đỉnh núi cao v thung lũng ngay bên cạnh trên hình 4.2. Mặc dù khí quyển phân bố đồng đều trên vùng quan sát, áp suất bề mặt tại vị trí núi nhỏ hơn một cách đáng kể so với tại thung lũng. Hình 4.2. Do áp suất khí quyển thích ứng với trọng l~ợng của khí quyển nằm bên trên, nên nó luôn giảm theo cao độ. áp suất ở đỉnh núi P2 nhỏ hơn áp suất ở chân núi P1 vì l~ợng không khí nằm bên trên nhiều hơn. Vì vậy phải phân biệt áp suất không khí bề mặt với áp suất mực biển áp suất mực biển cho phép chúng ta so sánh áp suất tại những vị trí khác * áp suất ở phía d‡ới cánh tay bạn lớn hơn rất ít so với ở phía trên. Đó l vì áp suất luôn giảm theo độ cao v ở phía trên của cánh tay bạn chỉ cao hơn vi cm so với phía d‡ới. Tuy nhiên, sự chênh lệch ny l rất nhỏ v có thể bỏ qua trong ví dụ ny. 131 nhau, tính đến những khác biệt về cao độ. Đối với những vị trí không quá cao bên trên mực n‡ớc biển, chúng ta có thể có đ‡ợc chỉ thị tốt về áp suất mực n‡ớc biển bằng cách giả định sự thay đổi đều của áp suất theo cao độ. Ví dụ, tại cao độ 150 m, ta cộng thêm 14 mb vo áp suất bề mặt để nhận đ‡ợc áp suất mực n‡ớc biển (khoảng 1 mb tăng lên cho từng 10 m). Tuy nhiên, đối với những nơi với cao độ lớn, ph‡ơng pháp ny không tin cậy, vì chúng ta phải tính đến sự nén của khí quyển. Hình 4.3. Với từng 5,5 km độ cao áp suất giảm khoảng một nửa Nh‡ đã thấy ở hình 4.3, áp suất không giảm theo độ cao với một tốc độ đều. Ng‡ợc lại, nó giảm nhanh nhất tại những nơi cao độ thấp v từ từ triệt tiêu tại các độ cao lớn. Ví dụ, từ mực biển đến cao độ 1 km áp suất trung bình giảm khoảng 100 mb, nh‡ng giữa 9 v 10 km áp suất giảm chỉ với tốc độ bằng một nửa. Sự phi tuyến tồn tại l do, nh‡ ta đã biết, không khí bị nén. Do khối l‡ợng khí quyển đ‡ợc nén đậm đặc hơn tại các mực thấp, nên một thay đổi cao độ không lớn tại các mực thấp lm cho bạn phải qua một l‡ợng khí quyển lớn, dẫn tới một mức giảm áp suất lớn. Mặc dù những chênh lệch áp suất theo ph‡ơng ngang có thể l đủ để tạo ra gió mạnh, nh‡ng nh‡ng chênh lệch đó rất nhỏ so với những chênh lệch theo ph‡ơng thẳng đứng. Ví dụ, áp suất mực biển l 1050 mb đ‡ợc xem l rất cao, song nó chỉ lớn hơn trung bình ton cầu 4 mb. Hơn nữa, chênh lệch giữa áp suất mực biển cao nhất v thấp nhất ở Bắc Mỹ trong một ngy no đó có thể chỉ đạt tới khoảng 25 mb. V thậm chí chênh lệch áp suất phần trăm nhỏ bé ny th‡ờng có thể đ‡ợc ghi nhận trên một khoảng cách nhiều trăm km. Ng‡ợc lại, ta chỉ cần chèo lên đỉnh của một ngọn đồi khiêm tốn hoặc tòa nh cao cũng thấy đ‡ợc một sự thay đổi áp suất t‡ơng đ‡ơng nh‡ vậy. 4-1: Những nguyên lý vật lý: Vận tốc, gia tốc, lực v áp suất Trong hội thoại th‡ờng ngy chúng ta hay nghe những chuyên từ lực v áp suất đ‡ợc sử dụng thay thế cho nhau, cũng giống nh‡ vận tốc v tốc độ th‡ờng đ‡ợc xem nh‡ đồng nghĩa. Tuy nhiên, trong ngôn ngữ khoa học, việc lẫn lộn giữa những thuật ngữ ny có thể dẫn tới nhầm lẫn lớn. Chúng ta sẽ xem chúng khác nhau nh‡ thế no. Vận tốc vˆ gia tốc Mỗi vật no đó chuyển động có tốc độ cụ thể, đ‡ợc định nghĩa l khoảng cách đi đ‡ợc trong một đơn vị thời gian. Tốc độ liên quan đến vận tốc, nh‡ng không l một nh‡ vận tốc. Vận tốc gắn liền với h‡ớng chuyển động cũng nh‡ tốc độ. Ví dụ, hãy xét hai xe ô tô chạy với 20 m một giây, nh‡ng di chuyển theo hai h‡ớng ng‡ợc nhau. Mặc dù chúng có cùng tốc độ, nh‡ng các vận tốc của chúng không bằng nhau do các h‡ớng chuyển động khác nhau. Sự phân biệt ny rất quan trọng để hiểu đ‡ợc một đại l‡ợng tiếp theo của chúng ta - gia tốc, sự thay đổi về vận tốc (không phải tốc độ) theo thời gian. Do vận tốc gồm cả tốc độ v h‡ớng, sự thay đổi hoặc h‡ớng hoặc tốc độ l gia tốc. Ví dụ, xét một xe ô tô tại một thời điểm chạy với tốc độ 20 m/s, một giây sau chính ô tô đó có tốc độ 19 m/s; sau một giây nữa tốc độ l 18 m/s v tiếp tục nh‡ thế. Khi mỗi giây qua đi, tốc độ của xe giảm 1 m/s (l‡u ý rằng gia tốc có thể có giá trị d‡ơng hoặc âm nh‡ trong thí dụ ny). Gia tốc cũng có thể xảy ra nh‡ khi có thay đổi h‡ớng theo thời gian, ngay cả đối với một vật có tốc độ không thay đổi. Một xe ô tô chạy với tốc độ không đổi nh‡ng từ từ quay h‡ớng l đang có một gia tốc, cũng giống nh‡ một xe ô tô với tốc độ thay đổi. Trong khí t‡ợng học có một gia tốc đặc biệt rất quan trọng - gia tốc trọng tr€ờng ( g ). Gia tốc ny bằng 9,8 m/s/s, nó gần nh‡ không đổi trên ton Trái Đất. g chỉ giảm chút ít từ xích đạo đến cực v g cũng chỉ khác biệt rất ít từ bề mặt đến lớp trên của khí quyển. Tuy nhiên, trong đa số các ứng dụng, những biến thiên đó của g nhỏ, cho nên có thể bỏ qua. Lực vˆ áp suất Một trong những nguyên lý quan trọng nhất của khoa học vật lý l định luật thứ hai của Newton, nó liên hệ khái niệm lực (ký hiệu l F ) với khối l‡ợng ( m ) v gia tốc ( a ). Cụ thể, định luật thứ hai của Newton nói rằng gia tốc của một vật thể tỷ lệ thuận với lực tác động lên nó v tỷ lệ nghịch với khối l‡ợng của nó. Bằng ký hiệu, điều ny đ‡ợc biểu diễn nh‡ sau m F a ′ = hoặc maF = . Hãy hình dung một xe tải 18 bánh xe chất hng nặng dừng lại theo đèn hiệu đỏ ngay sau một xe đạp. Khi đèn hiệu chuyển sang mu xanh, cả hai bắt đầu tăng tốc với cùng c‡ờng suất. Dễ thấy rằng, nếu nh‡ cả hai duy trì vị trí liền nhau, thì xe tải nặng nề hơn nhiều sẽ đòi hỏi một lực lớn hơn (v “động cơ” mạnh hơn). T‡ơng tự nh‡ vậy, nếu hai vật thể với cùng khối l‡ợng chịu các lực khác nhau, vật no chịu lực lớn hơn sẽ có một gia tốc lớn hơn. 133 Hình 1. Lực h‡ớng xuống phía d‡ới của khí quyển bằng khối l‡ợng ton bộ khí quyển nhân với gia tốc trọng tr‡ờng. Vì khối l‡ợng v gia tốc trọng tr‡ờng không đổi theo thời gian, nên lực ny của khí quyển không đổi. áp suất đ‡ợc xác định bằng lực tác động lên đơn vị diện tích. Do đó, diện tích đ‡ợc đánh dấu trên hình chịu một áp suất nhất định. áp suất biến đổi do khối l‡ợng không khí ở bên trên biến đổi theo vị trí v theo thời gian L‡u ý rằng lực F trong ph‡ơng trình trên l lực thuần tác động lên vật. Nếu các lực khác nhau tác động đồng thời, tất cả các lực đ‡ợc xem nh‡ cùng quyết định gia tốc; ta phải đánh giá cả độ lớn v h‡ớng của mỗi lực. Nh‡ sẽ thấy với tr‡ờng hợp những giọt n‡ớc m‡a rơi (ch‡ơng 7), các lực tác động theo những h‡ớng ng‡ợc nhau lm giảm lực thuần v gia tốc kết quả, đôi khi dẫn tới giá trị không. Chúng ta áp dụng định luật thứ hai của Newton cho khí quyển. Khí quyển chứa 1810145 ì, kg khối l‡ợng. (Để hình dung 1810145 ì, kg nặng nh‡ thế no, ta sẽ t‡ởng t‡ợng một triệu thùng xe tải v mỗi thùng chứa một tỷ con voi). Nếu nhân khối l‡ợng khí quyển với gia tốc trọng tr‡ờng, ta xác định đ‡ợc lực tác động lên khí quyển bằng khoảng 191005 ì, N (1 newton (N) l đơn vị đo lực cần để tăng tốc cho 1 kg vật 1 m/s trong mỗi 1 giây). Lực đem chia cho diện tích m nó tác động lên sẽ bằng áp suất. Vậy nếu chia lực 191005 ì, N cho diện tích bề mặt Trái Đất, sẽ cho ta lực trung bình trên diện tích đơn vị, hay áp suất bề mặt trung bình bằng khoảng 13210, N/cm2. Giá trị ny t‡ơng đ‡ơng 1013,2 mb, hay gần 14,7 pao/ inch2. Khi đã phân biệt giữa lực v áp suất, bây giờ ta đặt câu hỏi sự khác biệt đó thể hiện trong khí quyển nh‡ thế no. Đáp án l: mặc dù tổng lực của khí quyển gần nh‡ không đổi, các chất khí không phân bố đồng đều trên hnh tinh. áp suất cao hơn tồn tại ở nơi cột khí quyển chứa nhiều phân tử hơn, còn áp suất thấp hơn đ‡ợc thấy ở nơi chứa ít hơn. Còn vấn đề những chênh lệch áp suất đó diễn ra nh‡ thế no sẽ đ‡ợc xét sau ở ch‡ơng ny; lúc ny, điểm quan trọng l áp suất bề mặt phản ánh khối l‡ợng của khí quyển ở bên trong cột khí quyển nh‡ trên hình 1 đã cho thấy. Ph~ơng trình trạng thái Kinh nghiệm hng ngy cho biết rằng các chất khí có xu thế nở ra khi bị lm nóng v trở nên đậm đặc hơn khi bị lm lạnh. Điều ny mách bảo rằng nhiệt độ, mật độ v áp suất liên hệ với nhau. Thực tế thì mối quan hệ giữa chúng rất đơn giản. Nó đ‡ợc mô tả bằng phoơng trình trạng thái (còn gọi l định luật chất khí lý toởng) RTp ρ= , trong đó p l áp suất biểu diễn bằng Pascal, ρ l mật độ bằng kg/m3, R l hằng số bằng 287 J/(kg.K) v T l nhiệt độ (K). Ph‡ơng trình ny đ‡ợc diễn đạt nh‡ sau: nếu mật độ không khí tăng trong khi nhiệt độ không đổi, thì áp suất sẽ tăng. T‡ơng tự, khi mật độ không đổi, tăng nhiệt độ dẫn đến tăng áp suất. Vấn đề ny dẫn đến một sự nhầm lẫn phổ biến. Trong công chúng (v một số sinh viên) th‡ờng có thói quen tìm kiếm một mối liên hệ giản đơn giữa nhiệt độ v áp suất. Chúng ta có thể nghe nói “áp suất đang giảm, trời sẽ trở rét”, hoặc l “trời nóng – chắc chắn áp suất sẽ cao”. Nh‡ng ph‡ơng trình trạng thái nói rằng những phát biểu mơ hồ nh‡ thế không đúng. Một biến thứ ba, mật độ, có thể đảo lộn những thay đổi của hai biến kia. Ví dụ, trên các đồng bằng của Bắc Mỹ, áp suất cao tiếp sau một trận bão mùa đông th‡ờng mang theo nhiệt độ lạnh cóng, chứ không phải cái ấm áp dễ chịu. Mặc dù l trái ng‡ợc đối với linh nghiệm của một số ng‡ời, song hiện t‡ợng nh‡ vậy l hon ton phù hợp ph‡ơng trình trạng thái. Đo áp suất Dụng cụ đo áp suất đ‡ợc gọi l áp kế. Hai loại áp kế đ‡ợc sử dụng phổ biến nhất trong quan trắc thông th‡ờng: một loại cấu tạo từ một ống tuýp có chứa một phần thủy ngân v loại thứ hai sử dụng các hộp khoang xếp. áp kế thủy ngân Dụng cụ tiêu chuẩn để đo áp suất l áp kế thủy ngân (hình 4.4), sáng chế của Evangelista Torricelli năm 1643. Đó l một dụng cụ đơn giản chế tạo bằng cách cho thủy ngân vo trong một ống tuýp di v sau đó đảo ng‡ợc đầu tuýp để thủy ngân chảy vo một bầu chứa. Mặc dù ống tuýp đ‡ợc đảo đầu, nó vẫn không rỗng. Ng‡ợc lại, không khí tuồn xuống phía d‡ới đến bầu chứa thủy ngân v lm cho một phần thủy ngân nổi lên phía trên vo trong ống tuýp. áp suất không khí cng lớn, thì cột 135 thủy ngân cng cao. áp suất của áp kế th‡ờng đ‡ợc biểu diễn bằng độ cao của cột thủy ngân trong một áp kế, tại mực biển độ cao đó về trung bình l 76 cm (29,92 inch). Tuy nhiên, phép đo ny không phù hợp với khái niệm về áp suất, bởi vì áp suất không có đơn vị của độ di. Nói cách khác, biểu diễn áp suất của áp kế bằng cm hoặc inch cũng ngớ ngẩn nh‡ nói tuổi của ai đó bằng “30 dặm/giờ” hay cân nặng l “1,99 đô la”!. Các số đo độ di từ một áp kế chỉ l phản ứng của áp kế đó đối với áp suất khí quyển, chứ không phải giá trị quan trắc áp suất trực tiếp. Các nh khí t‡ợng học ‡a dùng một đơn vị sao cho đo đ‡ợc lực tác động trên diện tích đơn vị, nh‡ pao/inch2 hoặc milliba. Các công thức đơn giản để chuyển đổi độ cao áp kế sang milliba l: 1 cm = 13,32 mb v 1 inch = 33,865 mb. Hình 4.4. áp kế thủy ngân Thủy ngân l chất lỏng rất chuẩn để dùng trong áp kế vì nó rất nặng, với mật độ 13,6 lần lớn hơn mật độ n‡ớc. Đặc điểm ny cho phép điều chỉnh đ‡ợc kích th‡ớc của dụng cụ. Nếu sử dụng n‡ớc thay vì thủy ngân, thì cột n‡ớc phải cao chừng 10 m để có thể cân bằng với trọng l‡ợng của khí quyển. Mặt khác, mặc dù một áp kế chứa n‡ớc cao bằng tòa nh 3 tầng có thể l không gọn nhẹ, song nó có khả năng đo rất chính xác, bởi vì những biến đổi nhỏ của áp suất sẽ đ‡ợc chuyển đổi thnh những biến đổi lớn về độ cao. Hiệu chỉnh các số đo của áp kế thủy ngân Một trong các công cụ quan trọng của nh khí t‡ợng học l bản đồ thời tiết, ngoi một số thứ khác, trong bản đồ ny biểu diễn phân bố áp suất trên bề mặt. Tuy nhiên, tr‡ớc khi số liệu áp kế đ‡ợc dùng trên bản đồ, phải thực hiện ba hiệu chỉnh để loại trừ những nhân tố địa ph‡ơng ảnh h‡ởng tới các số đo. Hiệu chỉnh thứ nhất loại trừ ảnh h‡ởng của cao độ chúng ta mô tả tr‡ớc đây trong ch‡ơng ny. Nếu nh‡ các giá trị áp suất bề mặt đ‡ợc vẽ trên các bản đồ thời tiết, chúng sẽ cho một biểu diễn sai về phân bố của khí quyển. Nguyên do l các cao độ cao thì có các áp suất bề mặt thấp hơn so với các cao độ thấp, ngay cả khi áp suất mực biển l nh‡ nhau. Để quy chuẩn các số liệu quan trắc, chúng ta phải chuyển đổi số đo áp suất bề mặt về các giá trị tại mực n‡ớc biển. Đối với một trạm quan trắc nằm ở độ cao 100 m trên mực biển, phải cộng thêm khoảng 1 cm, t‡ơng ứng với khoảng 13 mb. Tại các cao độ lớn hơn, cần phải có hiệu chỉnh lớn hơn. Chẳng hạn, tại Denver, Colorado (gọi l “Thnh phố cao 1 dặm”), số hiệu chỉnh bằng khoảng 16 cm hay 213 mb. Hiệu chỉnh thứ hai liên quan tới sự giống nhau giữa áp kế thủy ngân v nhiệt kế. Vì thủy ngân trong nhiệt kế giãn nở khi nhiệt độ tăng, thủy ngân trong áp kế cũng nh‡ vậy. Sự giãn nở lm giảm mật độ của chất lỏng v đòi hỏi nó đạt tới một độ cao lớn hơn để bù lại trọng l‡ợng khí quyển. Nói cách khác, vo ngy nóng độ cao của cột thủy ngân cao hơn ngy lạnh, ngay cả khi áp suất khí quyển nh‡ nhau. Vì lý do ny, nên các áp kế thủy ngân luôn có một nhiệt kế gắn kèm theo để xác định nhiệt độ của dụng cụ, còn bảng hiệu chỉnh cho chúng ta biết độ cao của cột thủy ngân phải bằng bao nhiêu nếu nh‡ nhiệt độ bằng giá trị chuẩn 0 oC (32 oF). Tại nhiệt độ chuẩn trong phòng, hiệu chỉnh ny nhỏ, chỉ cần trừ bớt khoảng 2,5 mm. Hiệu chỉnh thứ ba tính đến gia tốc trọng tr‡ờng biến thiên nhẹ theo vĩ độ. Để chuẩn hóa các số đo từ tất cả các vĩ độ, chúng ta quy đổi chúng về giá trị m chúng phải có nếu nh‡ trọng lực địa ph‡ơng bằng trọng lực tại 45o vĩ nam hoặc bắc, hay bằng trung bình giữa xích đạo v các cực. Tuy nhiên, những biến thiên trọng lực theo vĩ độ l nhỏ v các hiệu chỉnh th‡ờng có cỡ 0,25 mm. 4-2: Những nguyên lý vật lý: Các biến thiên của mật độ Có lẽ bạn từng phân vân không khí nặng bao nhiêu. Không khí xung quanh bạn có mật độ riêng v mỗi thể tích không khí bất kỳ chứa một khối l‡ợng nhất định. Những biến thiên về mật độ không khí gây nên nhiều hiện t‡ợng hng ngy. Ví dụ, mật độ của khí quyển ảnh h‡ởng tới một máy bay phải chạy lấy đ bao xa khi nó tăng tốc trên đ‡ờng băng để chuẩn bị cất cánh. T‡ơng tự, các máy phun nhiên liệu ô tô phải tính đến biến thiên mật độ để cung cấp hỗn hợp xăng v không khí phù hợp vo động cơ xe. Mật độ không khí thậm chí có thể ảnh h‡ởng tới l‡ợng cản của không khí lên một trái bóng chy, do đó, tới khoảng cách bay của trái bóng. Nh‡ng biến thiên mật độ có thực sự đáng kể hay không? Chúng ta có thể dùng ph‡ơng trình trạng thái để thấy một cách chính xác những biến thiên nhiệt độ ảnh h‡ởng tới mật độ không khí nh‡ thế no. Muốn vậy, tr‡ớc hết ta sắp xếp lại ph‡ơng trình đó nh‡ sau: RTp /=ρ . Bây giờ so sánh mật độ không khí trong hai tr‡ờng hợp: một ngy ấm với nhiệt độ 308 K (35 oC hay 95 oF) v một ngy lạnh với nhiệt độ 278 K (5 oC hay 41 oF). Để cho nhất quán, ta sẽ giả định rằng áp suất l 100 000 Pa (1000 mb; 100 kPa) trong cả hai tình huống. áp dụng ph‡ơng trình trạng thái cho ngy ấm, ta tìm đ‡ợc mật độ không khí bằng 3 11 131 308287 100000 kg/m, kgJ Pa = ì = −− KK ρ *. Khi ta hạ nhiệt độ không khí xuống đến 278 K (5 oC hay 41 oF), ph‡ơng trình cho mật độ không khí bằng 3 11 251 278287 100000 kg/m, kgJ Pa = ì = −− KK ρ . Mật độ ny gần 11% lớn hơn mật độ không khí ở ngy ấm hơn – một l‡ợng đáng kể. Ngoi nhiệt độ v áp suất, độ ẩm của không khí cũng có ảnh h‡ởng (dù rất nhỏ) tới mật độ. Ta sẽ xem nh‡ thế no. Phân tử ôxy (O2) v Nitơ (N2) lm thnh phần lớn khối l‡ợng của khí quyển v tồn tại ở một tỷ phần không đổi. Các hợp phần khác, ít hơn của khí quyển có mặt với những l‡ợng khác nhau tại các vị trí v thời gian khác nhau, v do mỗi hợp phần có phân tử l‡ợng riêng của mình (thể hiện của khối l‡ợng t‡ơng đối của các phân tử), hm l‡ợng t‡ơng đối của chúng có thể ảnh h‡ởng nhẹ tới mật độ của khí quyển. Trong số các chất khí đó, hơi n‡ớc th‡ờng chiếm khoảng 1 % khối 137 l‡ợng không khí. Theo linh tính, chúng ta có thể cho rằng độ ẩm lớn hơn sẽ lm cho khí quyển đậm đặc hơn. Sự thật thì điều ng‡ợc lại mới đúng. Hãy so sánh khối l‡ợng chứa trong các phân tử riêng rẽ của hơi n‡ớc v của các chất khí khí quyển phong phú nhất. Trọng l‡ợng phân tử nitơ v ôxy lần l‡ợt l 28,01 v 32,00 v trọng l‡ợng trung bình của khí quyển khô l 28,5. Mặt khác, hơi n‡ớc có trọng l‡ợng phân tử chỉ l 18,01. Do đó, nếu tỷ phần không khí chứa hơi n‡ớc tăng, thì phải kéo theo sự suy giảm về trọng l‡ợng trung bình của khí quyển. Nói cách khác, nếu mọi thứ khác l nh‡ nhau, thì không khí ẩm sẽ ít đậm đặc hơn, “nhẹ” hơn không khí khô. Những biến thiên độ ẩm quan trọng nh‡ thế no đối với mật độ khí quyển? Bạn có thể kỳ vọng rằng vì l‡ợng hơi n‡ớc trong khí quyển nhỏ, nên những biến thiên l không đáng kể, v có thể l bạn nghĩ đúng. Việc sát nhập hệ quả của hm l‡ợng ẩm biến thiên sẽ đòi hỏi phải thay đổ