Bài giảng Thời tiết khí hậu: Chương 5- Độ ẩm khí quyển

163 Phần 2 - N{ớc trong khí quyển Ch€ơng 5 Độ ẩm khí quyển Bất chấp bão tuyết chiều ngy 9 tháng 1 năm 1997, l‡u l‡ợng tới v đi của Sân bay Detroit Metropolitan tiếp tục nh‡ th‡ờng lệ, giống nh‡ vẫn th‡ờng diễn ra ở khắp miền Midwest. Tr‡ớc 4 giờ chiều một chút, chuyến bay Comair 3272 đang chuẩn bị hạ cánh. Chuyến bay ny xuất phát một giờ tr‡ớc đó từ Sân bay quốc tế Cincinnati, Bắc Kentucky, đang diễn ra bình th‡ờng thì bỗng d‡ng ng‡ời lái bị mất kiểm soát máy bay. Theo chứng kiến của một số ng‡ời nh‡ Ted Rath, anh quan sát đ‡ợc cảnh t‡ợng khủng khiếp chiếc may bay hai động cơ xoay ba lần rồi lao xuống cánh đồng cách đ‡ờng bay số 3 m‡ời tám dặm. Không một ng‡ời no sống sót trong số 29 hnh khách v đội lái. Các chuyên gia an ton hng không lập tức nghi ngờ sự kết băng l nguyên nhân của tai nạn. Bằng chứng tiếp theo, nh‡ máy bay đã gặp hai lần trục trặc tr‡ớc đó với hệ thống chống kết băng, đã củng cố thêm sự dự đoán. ủy ban An ton Vận tải Quốc gia nhất trí kết luận rằng một mng băng bao cánh máy bay v tốc độ tiếp đất thấp đã lm cho máy bay mất độ nâng khí động lực cần thiết. Mặc dù những vụ vỡ máy bay khác đã từng gây nên do kết băng máy bay, song những tai nạn ny rất hiếm khi xảy ra. Tuy nhiên, thực tế vẫn l điều kiện thời tiết có thể tạo ra những vấn đề quan trọng đối với ngnh hng không. Thời tiết nguy hiểm rất hay tạo ra rối cực đoan hoặc biến đổi nhanh điều kiện gió. Đôi khi thậm chí những điều kiện t‡ơng đối ôn hòa có thể gây nên những nguy hiểm đáng kể nh‡ tr‡ờng hợp ở Detroit. Thậm chí một dải hoặc lớp mây mù nhẹ có thể lm giảm tầm nhìn v đe dọa sự an ton giao thông đ‡ờng bộ v trên không. Mặc dù mây v s‡ơng mù rất phổ biến trong đời sống th‡ờng ngy, nh‡ng nhiều ng‡ời trong chúng ta hiểu biết rất kém về chúng hình thnh nh‡ thế no. N‡ớc l chất duy nhất không chỉ bởi vì nó xuất hiện tự nhiên gần bề mặt Trái Đất ở các pha rắn, lỏng v khí, m còn bởi vì nó có thể chuyển đổi giữa các pha đó trong một khoảng thời gian khá ngắn. Thật vậy, về trung bình, một phân tử hơi n‡ớc trong khí quyển sẽ tồn tại trong pha khí chỉ trong ít ngy tr‡ớc khi ng‡ng tụ thnh những giọt chất lỏng hoặc tinh thể băng để tạo thnh mây hoặc s‡ơng mù. Mây v s‡ơng mù cũng có khoảng thời gian sống hạn chế v th‡ờng bốc thnh hơi hoặc rơi xuống thnh m‡a trong vòng vi giờ hình thnh. Ch‡ơng ny bắt đầu phần 2, “N‡ớc trong khí quyển”, bằng việc mô tả những cơ sở về độ ẩm khí quyển. Đó l những cơ sở của các quá trình m nhờ đó n‡ớc có thể chuyển từ pha ny sang pha khác v giới thiệu những phép đo chung để chúng ta thể hiện độ ẩm. Ch‡ơng ny cũng sẽ mô tả những cơ sở liên quan tới sự hình thnh s‡ơng mù v mây. Ch‡ơng 6 mô tả các quá trình phát triển mây v dạng mây kết quả. Ch‡ơng 7 bn luận những giọt n‡ớc mây lớn lên nh‡ thế no để rơi xuống thnh giáng thủy. Những chủ đề thảo luận ở đây rất quan trọng để hiểu một số hiện t‡ợng thời tiết chung nhất cũng nh‡ những hiện t‡ợng đôi khi ảnh h‡ởng tới con ng‡ời. Hơi n~ớc v† n~ớc lỏng Mặc dù vật chất ở pha khí có độ nén cao, song mật độ của một chất khí không thể tăng đến một mức cao tùy ý. Khi chất khí đạt tới một điểm giới hạn no đó, nó buộc phải chuyển thnh trạng thái lỏng hoặc rắn. Đối với một chất khí khí quyển - hơi n‡ớc, giới hạn đó th‡ờng đạt tới tại các nhiệt độ v áp suất th‡ờng thấy trên Trái Đất. (Những chất khí khác, nh‡ nitơ v ôxy, chỉ có thể bị hóa lỏng tại những nhiệt độ rất thấp). Không khí chứa nhiều n‡ớc nhất có thể đ‡ợc gọi l không khí bão hòa v nếu đ‡a thêm hơi n‡ớc sẽ dẫn đến hình thnh các giọt n‡ớc hoặc tinh thể băng. Khái niệm về bão hòa l khái niệm cơ sở để hiểu các quá trình hình thnh mây v s‡ơng mù. Chúng ta bắt đầu thảo luận với một thực nghiệm giả định trong phòng thí nghiệm, nó mô tả những nguyên lý chung về bay hơi v ng‡ng tụ. Sau đó, chúng ta áp dụng những nguyên lý ấy cho các quá trình diễn ra trong khí quyển thực. Bay hơi vˆ ng€ng tụ Hình 5.1 biểu diễn một thí nghiệm giả định, trong đó một hộp bịt kín chứa một phần n‡ớc tinh khiết (H2O). Mặc dù điều ny có thể t‡ởng nh‡ hiển nhiên tại thời điểm ny, nh‡ng chúng ta hãy đặt điều kiện rằng n‡ớc ở trong bình có bề mặt phẳng hon ton. Ngoi ra, giả sử tại lúc bắt đầu thí nghiệm bề mặt n‡ớc đ‡ợc che phủ bởi một lớp vỏ kín sao cho hơi n‡ớc không tồn tại ở trong thể tích bình chứa phía bên trên bề mặt n‡ớc. Thể tích bên trên bề mặt n‡ớc chứa không khí hay không hon ton không liên quan gì tới thí nghiệm ny. Thể tích đó có thể chứa không khí bình th‡ờng, hyđrô nguyên chất, mêtan hay chất thơm từ n‡ớc hoa Pháp - nó thậm chí l chân không hon ton. Tất cả vấn đề liên quan tới quá trình bay hơi/ng‡ng tụ l hơi n‡ớc không có mặt lúc đầu. Hình 5.1b cho thấy điều gì xảy ra khi chúng ta nhấc bỏ lớp phủ trên bề mặt n‡ớc lỏng. Không có lớp phủ, một số phân tử tại bề mặt có thể thoát vo thể tích bên trên thnh hơi n‡ớc. Quá trình m các phân tử thoát tự do khỏi thể tích chất lỏng đ‡ợc gọi l bay hơi. Quá trình ng‡ợc lại l ng€ng tụ, trong quá trình ny các phân tử hơi n‡ớc ngẫu nhiên va chạm với bề mặt n‡ớc v gắn kết với các phân tử bên cạnh. Tại thời điểm đầu của thí nghiệm giả định không thể xảy ra ng‡ng tụ bởi vì không có hơi n‡ớc. Tuy nhiên, khi bay hơi bắt đầu, hơi n‡ớc bắt đầu tích tụ bên trên bề mặt của chất lỏng. 165 Hình 5.1. Một bình t~ởng t~ợng chứa n~ớc tinh khiết với một bề mặt phẳng v† thể tích nằm bên trên lúc đầu không chứa hơi n~ớc (a). Khi bay hơi bắt đầu (b), hơi n~ớc tích lũy trong thể tích bên trên bề mặt n~ớc lỏng. Lúc đầu ng~ng tụ không thể xảy ra bởi vì không có hơi n~ớc ở bên trên chất lỏng. Nh~ng khi bay hơi cung cấp n~ớc cho thể tích bên trên, ng~ng tụ có thể xuất hiện. Bay hơi v~ợt trội ng~ng tự một thời gian v† nhờ đó l†m tăng dung l~ợng hơi n~ớc. Dần dần hơi n~ớc ở bên trên chất lỏng đủ nhiều để cho ng~ng tụ bằng bay hơi (c). Tại thời điểm n†y, sự bão hòa xuất hiện Tại thời đoạn sớm của bay hơi, dung l‡ợng hơi n‡ớc thấp ngăn chặn không cho ng‡ng tụ xảy ra v tốc độ bay hơi v‡ợt trội tốc độ ng‡ng tụ. Điều đó lm tăng l‡ợng hơi n‡ớc. Tuy nhiên, khi dung l‡ợng hơi n‡ớc tăng lên, tốc độ ng‡ng tụ cũng tăng. Dần dần, l‡ợng hơi n‡ớc bên trên bề mặt đủ để cho tốc độ ng‡ng tụ v bay hơi trở nên bằng nhau nh‡ hình 5.1c. Bây giờ một l‡ợng hơi n‡ớc không đổi tồn tại ở trong thể tích bên trên bề mặt n‡ớc do nhận v mất bù trừ giữa bay hơi v ng‡ng tụ. Trạng thái cân bằng kết quả đ‡ợc gọi l bão hòa. Trạng thái bão hòa đ‡ợc mô tả ở đây có thể diễn ra cho dù có hay không có không khí (hay các khí khác) tồn tại trong hộp chứa. Nói cách khác, hơi n‡ớc không bị “giữ” bởi không khí (mặc dù nhiều khi ng‡ời ta vẫn th‡ờng khẳng định mệnh đề sai lầm ny). Hơi n‡ớc l một chất khí, giống nh‡ các hợp phần khác của không khí. Do đó, nó không cần phải bị “giữ” bởi không khí giống nh‡ ôxy, nitơ, acgôn v các khí khác của khí quyển không cần bị giữ bởi hơi n‡ớc! Khi không khí bão hòa thì chỉ đơn giản l có một sự cân bằng giữa bay hơi v ng‡ng tụ; không khí khô không có vai trò trong việc đạt trạng thái ny. Cũng cần biết rằng sự trao đổi hơi n‡ớc v chất lỏng đ‡ợc mô tả ở đây cũng áp dụng cho sự chuyển đổi pha giữa hơi n‡ớc v băng. Sự chuyển đổi pha trực tiếp từ băng thnh hơi n‡ớc, không qua pha lỏng, đ‡ợc gọi l thăng hoa. Quá trình ng‡ợc lại (từ hơi n‡ớc thnh băng) gọi l lắng đọng. (Các nh khí t‡ợng đôi khi dùng từ thăng hoa áp dụng cho chuyển đổi pha hơi thnh rắn cũng nh‡ rắn thnh hơi. Vì các quá trình ng‡ợc nhau không nên có cùng một tên, nên sử dụng chuyên từ lắng đọng cho sự chuyển đổi hơi thnh băng). Các chỉ số về dung l~ợng hơi n~ớc Chúng ta cần có một cách no đó biểu diễn dung l‡ợng n‡ớc của không khí giống nh‡ đối với một thuộc tính khác bất kỳ của khí quyển. Độ ẩm l l‡ợng hơi n‡ớc trong không khí. Độ ẩm có thể đ‡ợc biểu diễn bằng một số cách - thông qua mật độ của hơi n‡ớc, áp suất của hơi n‡ớc, tỉ lệ phần trăm của l‡ợng hơi n‡ớc có thể thực sự tồn tại hoặc một số ph‡ơng pháp khác. Không có một số đo “đúng” duy nhất, m ng‡ợc lại, mỗi số đo có những ‡u điểm v nh‡ợc điểm của nó, tùy thuộc vo mục đích sử dụng dự định. Tuy nhiên, tất cả các số đo về độ ẩm có một nét chung - chúng áp dụng tuyệt đối cho hơi n‡ớc v không cho các giọt chất lỏng hay các tinh thể băng ở trong hoặc đang rơi qua không khí. Bây giờ chúng ta xem xét các số đo đó. áp suất hơi Trong các ch‡ơng 1 v 4, chúng ta thấy rằng không khí tác động áp suất lên tất cả các bề mặt. Từng chất khí cấu tạo nên khí quyển góp phần vo áp suất không khí tổng cộng, các chất khí th‡ờng trực nhiều nhất tạo thnh phần lớn áp suất. Bởi vì hơi n‡ớc hiếm khi chiếm hơn 4 % khối l‡ợng khí quyển tổng cộng, nên nó chỉ tác động một tỉ lệ phần trăm nhỏ của áp suất không khí tổng cộng. Phần áp suất khí quyển tổng cộng do hơi n‡ớc tác động đ‡ợc gọi l áp suất hơi. Giống nh‡ áp suất khí quyển, áp suất hơi th‡ờng đ‡ợc biểu diễn bằng đơn vị miliba (mb) theo các nh khí t‡ợng học Mỹ v bằng kilôpascal (kPa) theo các đồng nghiệp Canađa, mặc dù trong phần lớn các ứng dụng khoa học pascal (Pa) l đơn vị đ‡ợc ‡a dùng nhất (100 Pa = 1 ba = 0,1 kPa). Hình 5.2. Chuyển động của những phân tử tác động một áp suất lên các bề mặt, gọi l† áp suất hơi. áp suất hơi tăng lên theo nồng độ v† nhiệt độ áp suất hơi của một thể tích không khí phụ thuộc cả vo nhiệt độ v mật độ của các phân tử hơi n‡ớc (hình 5.2). Nếu nhiệt độ không khí cao, các phân tử hơi n‡ớc (cùng với tất cả các hợp phần khí khác của khí quyển) chuyển động nhanh hơn v tác động áp suất lớn hơn. Một cách t‡ơng tự, nồng độ của các phân tử hơi n‡ớc lớn hơn có nghĩa rằng một l‡ợng khối l‡ợng lớn hơn có mặt để tác động áp suất. Trong thực tế, ảnh h‡ởng nhiệt độ l nhỏ so với những biến thiên mật độ, thnh thử áp suất hơi tuân theo những biến thiên mật độ, hay số l‡ợng các phân tử n‡ớc một cách chặt chẽ. Vì có một l‡ợng hơi n‡ớc cực đại có thể tồn tại, nên cũng có áp suất hơi cực đại t‡ơng ứng, gọi l áp suất hơi bão hòa. áp suất hơi bão hòa không biểu thị l‡ợng 167 ẩm hiện tại trong không khí, ng‡ợc lại, nó l biểu thị của cái cực đại có thể tồn tại. áp suất hơi bão hòa chỉ phụ thuộc vo một biến - nhiệt độ. Hình 5.3 biểu diễn mối liên quan giữa áp suất hơi bão hòa v nhiệt độ, nhiệt độ cng cao thì áp suất hơi bão hòa cng cao. Ví dụ, tại 40oC áp suất hơi bão hòa l 73,8 mb, còn tại 0oC áp suất hơi bão hòa chỉ bằng 6,1 mb, nhỏ hơn một phần m‡ời. Sự tăng áp suất hơi bão hòa theo nhiệt độ không tuyến tính. Tại những nhiệt độ thấp, áp suất hơi bão hòa chỉ tăng rất ít, nh‡ng tại những nhiệt độ cao, áp suất hơi bão hòa tăng rất nhanh. Ví dụ, tại 2oC tăng nhiệt độ từ 0oC lên 2oC lm tăng áp suất hơi bão hòa từ 6,1 mb lên 7,1 mb, chỉ khác nhau 1 mb. Cũng với l‡ợng tăng nhiệt độ nh‡ trên, nh‡ng từ một điểm xuất phát cao hơn, từ 40oC lên 42 oC, áp suất hơi bão hòa tăng lên 7,7 mb, từ 73,8 lên thnh 81,5 mb. Độ ẩm tuyệt đối Một số đo khác về dung l‡ợng hơi n‡ớc l độ ẩm tuyệt đối, đơn giản l mật độ của hơi n‡ớc đ‡ợc biểu diễn bằng số gam hơi n‡ớc chứa trong một mét khối không khí. Vì độ ẩm tuyệt đối biểu diễn l‡ợng n‡ớc chứa trong một thể tích không khí, nên giá trị của nó thay đổi mỗi khi không khí giãn hoặc nén. Do đó, ví dụ, nếu một phần tử không khí giãn ra (khi nó nóng hơn hoặc nâng lên cao), độ ẩm tuyệt đối của nó sẽ giảm, mặc dù hơi n‡ớc không bị mất khỏi phần tử. Vì độ ẩm tuyệt đối có nh‡ợc điểm ny, nên nó không có tính ‡u việt lớn so với những chỉ số khác v ít đ‡ợc sử dụng. Độ ẩm riêng Mặc dù không đ‡ợc sử dụng nhiều bên ngoi những ứng dụng khoa học, độ ẩm riêng l một chỉ số hữu ích để biểu diễn độ ẩm khí quyển. Độ ẩm riêng thể hiện khối l‡ợng hơi n‡ớc tồn tại trong một khối l‡ợng không khí đang xét. Ví dụ, xét một thể tích chứa đúng 1 kg không khí (tại mực n‡ớc biển thể tích đó bằng khoảng 0,8 mét khối). Trong 1 kg đó một số gam l hơi n‡ớc. Tỉ lệ khối l‡ợng không khí thuộc về phần hơi n‡ớc l độ ẩm riêng. Thông th‡ờng nhất, độ ẩm riêng đ‡ợc biểu diễn bằng số gam hơi n‡ớc trong một kilôgam không khí. Thật ra, chúng ta đã một cách không t‡ờng minh đề cập đến độ ẩm riêng trung bình của khí quyển ở trong ch‡ơng 1 khi nói rằng hơi n‡ớc thông th‡ờng chỉ chiếm khoảng 1 hoặc 2 phần trăm khối l‡ợng khí quyển. Vì hơi n‡ớc ở bên ngoi vùng nhiệt đới th‡ờng l ít hơn 2 phần trăm khối l‡ợng không khí, các độ ẩm riêng th‡ờng nhỏ hơn 20 gam hơi n‡ớc trong một kilôgam không khí. Độ ẩm riêng q đ‡ợc biểu diễn toán học nh‡ sau: dv vv mm m m m q + == , ở đây −vm khối l‡ợng hơi n‡ớc, −m khối l‡ợng của khí quyển v −dm khối l‡ợng của không khí khô (tất cả các chất khí khí quyển khác với hơi n‡ớc). Khác với áp suất hơi, độ ẩm riêng chịu ảnh h‡ởng ít bởi áp suất khí quyển, vì nó phụ thuộc một phần vo khối l‡ợng tổng cộng của khí quyển m . Khác với độ ẩm tuyệt đối, độ ẩm riêng có ‡u điểm không thay đổi khi không khí giãn nở hoặc co lại. Ví dụ, khi một kilôgam không khí nở ra, khối l‡ợng của nó không thay đổi (nó vẫn l 1 kg), v tỉ phần thuộc về hơi n‡ớc không thay đổi. Kết quả l, độ ẩm riêng không bị ảnh h‡ởng. Một đặc điểm thuận tiện khác của độ ẩm riêng l nó không phụ thuộc vo nhiệt độ. Nếu một kilôgam không khí chứa 1 g hơi n‡ớc, nó vẫn chứa 1 g sau khi bị nung nóng. Vì lý do đó, độ ẩm riêng l một chỉ thị tốt để so sánh hơi n‡ớc trong không khí tại những địa ph‡ơng khác nhau m mỗi nơi nhiệt độ không khí có thể khác nhau. Ví dụ, nếu Toronto, Ontario có độ ẩm riêng 10 gam hơi n‡ớc trong 1 kg không khí vo một ngy no đó, còn Albuquerque, New Mexico có 5 g/kg, chúng ta có thể khẳng định rằng Toronto có hơi n‡ớc trong không khí nhiều bằng hai lần Albuquerque, nhiệt độ hai nơi đó l bao nhiêu không thnh vấn đề. Điều ny có thể l tỏ ra không có gì đặc biệt, nh‡ng sự t‡ơng ứng trực tiếp giữa độ ẩm riêng v dung l‡ợng hơi n‡ớc không còn đúng đối với chỉ số độ ẩm th‡ờng đ‡ợc dùng - độ ẩm t‡ơng đối. Vì vậy, độ ẩm riêng l một số đo hữu ích về hơi n‡ớc; nó chỉ có nh‡ợc điểm duy nhất l công chúng ít quen thuộc với chuyên từ ny. Hình 5.3. áp suất hơi bão hòa v† độ ẩm riêng bão hòa nh~ một h†m của nhiệt độ. Đ~ờng cong dốc hơn tại các nhiệt độ cao có nghĩa rằng áp suất hơi bão hòa nhạy cảm hơn với biến thiên nhiệt độ khi không khí ấm Vì có một l‡ợng cực đại hơi n‡ớc có thể tồn tại tại một nhiệt độ cụ thể, nên cũng có một độ ẩm riêng cực đại. Cực đại đó đ‡ợc gọi l độ ẩm riêng bão hòa. Tính chất ny trực tiếp t‡ơng tự với áp suất hơi bão hòa v tăng theo kiểu không tuyến tính nh‡ trên hình 5.3. 169 Tỉ số xáo trộn Tỉ số xáo trộn rất giống với độ ẩm riêng. Trong tr‡ờng hợp độ ẩm riêng, chúng ta biểu diễn khối l‡ợng hơi n‡ớc trong không khí nh‡ một tỉ phần của tất cả không khí. Ng‡ợc lại, tỉ số xáo trộn r l một số đo khối l‡ợng hơi n‡ớc t‡ơng đối so với khối l‡ợng của các chất khí khác của khí quyển, hay dv mmr /= . (L‡u ý rằng mẫu số chỉ khối l‡ợng của không khí khô, trái ng‡ợc với tất cả không khí). Về ph‡ơng diện số, tỉ số xáo trộn v độ ẩm riêng sẽ luôn có giá trị gần bằng nhau. Đó l vì l‡ợng hơi n‡ớc trong không khí luôn luôn nhỏ, cho nên dù nó có đ‡ợc tính đến hay không trong mẫu số cũng không lm thay đổi tỉ số. Một ví dụ đơn giản có thể lm rõ sự t‡ơng tự giữa độ ẩm riêng v tỉ số xáo trộn. Nếu độ ẩm riêng l 10 g hơi n‡ớc trong 1 kg không khí, tỉ số xáo trộn l 10 g hơi n‡ớc trên 990 g không khí khô. Hãy l‡u ý rằng 10 chia cho 990 bằng 10,0011. Nói khác đi, nếu độ ẩm riêng l 10,0 g/kg, thì tỉ số xáo trộn chỉ cao hơn 1,1 %, hay 10,011 g/kg. Sử dụng tỉ số xáo trộn nh‡ một chỉ số về dung l‡ợng độ ẩm có cùng những ‡u điểm nh‡ độ ẩm riêng. Ngoi ra, hon ton giống nh‡ độ ẩm riêng cực đại có thể tồn tại đ‡ợc gọi l độ ẩm riêng bão hòa, thì tỉ số xáo trộn cực đại có thể đ‡ợc gọi l tỉ số xáo trộn bão hòa. Độ ẩm t€ơng đối Số đo quen thuộc nhất về dung l‡ợng hơi n‡ớc l độ ẩm t€ơng đối, RH, nó liên hệ l‡ợng hơi n‡ớc trong không khí với l‡ợng cực đại có thể tại nhiệt độ hiện thời. Một cách t‡ơng đ‡ơng, độ ẩm t‡ơng đối bằng RH = (độ ẩm riêng / độ ẩm riêng bão hòa) ì 100 % Nói cách khác, độ ẩm t‡ơng đối l l‡ợng hơi n‡ớc biểu diễn t‡ơng đối với giá trị cực đại có thể tồn tại tại một nhiệt độ cụ thể (điểm bão hòa của nó). Để xem xét cụ thể, ta xét ví dụ trên hình 5.4, trong đó độ ẩm riêng thực tế l 6 g/kg không khí v nhiệt độ 14oC cho độ ẩm riêng bão hòa 10 g/kg không khí. Do đó, độ ẩm t‡ơng đối sẽ bằng %60%1006,0%100 10 6 RH =ì=ì= . Độ ẩm t‡ơng đối không phải duy nhất xác định bằng l‡ợng hơi n‡ớc có mặt. Vì trong không khí ấm có thể chứa nhiều hơi n‡ớc hơn trong không khí lạnh, nên độ ẩm t‡ơng đối phụ thuộc vo cả dung l‡ợng ẩm thực tế v nhiệt độ không khí. Nếu nhiệt độ không khí tăng lên, thì nhiều hơi n‡ớc hơn có thể tồn tại v tỉ số giữa l‡ợng hơi n‡ớc trong không khí trên l‡ợng bão hòa giảm. Do đó, độ ẩm t‡ơng đối giảm thậm chí nếu dung l‡ợng ẩm không thay đổi. Một lần nữa xét ví dụ trên hình 5.4, ta xem điều gì sẽ xảy ra nếu l‡ợng hơi n‡ớc giữ không đổi nh‡ng nhiệt độ tăng từ giá trị xuất phát 14oC lên 25oC. Tại nhiệt độ mới, độ ẩm riêng bão hòa tăng lên tới 20 g hơi n‡ớc trong 1 kg không khí v độ ẩm t‡ơng đối trở thnh %30%1003,0%100 20 6 RH =ì=ì= . Độ ẩm t‡ơng đối đã bị giảm mặc dù l‡ợng hơi n‡ớc giữ không đổi! Đây l một nh‡ợc điểm quan trọng đối với một chỉ số bất kỳ nhằm dùng lm số đo về độ ẩm. Hình 5.4. Quan hệ giữa độ ẩm t~ơng đối v† nhiệt độ. (a) Nhiệt độ 14oC có độ ẩm riêng bão hòa 10 g hơi n~ớc trong 1 kg không khí. Nếu độ ẩm riêng thực tế l† 6 g/kg, độ ẩm t~ơng đối bằng 60%; (b) Độ ẩm riêng vẫn l† 6 g/kg, nh~ng nhiệt độ cao hơn dẫn tới độ ẩm riêng bão hòa lớn hơn, do đó độ ẩm t~ơng đối nhỏ hơn tr~ờng hợp (a) mặc dù mật độ hơi n~ớc vẫn nh~ cũ Vì phụ thuộc vo nhiệt độ, độ ẩm t‡ơng đối sẽ thay đổi trong ngy thậm chí nếu l‡ợng n‡ớc trong không khí không thay đổi. Độ ẩm t‡ơng đối th‡ờng cao vo lúc sáng sớm - không phải vì nhiều hơi n‡ớc, m đơn giản bởi vì nhiệt độ thấp. Khi trời ấm dần, độ ẩm t‡ơng đối th‡ờng giảm bởi vì độ ẩm riêng bão hòa tăng lên. Sự ảnh h‡ởng của nhiệt độ tới độ ẩm t‡ơng đối gây nên một vấn đề khác - nó gây khó khăn cho việc so sánh trực tiếp dung l‡ợng n‡ớc tại các vị trí khác nhau có nhiệt độ không bằng nhau. Ví dụ, xét một buổi sáng lạnh ở Montreal, Quebec, nhiệt độ bằng -20oC v độ ẩm riêng l 0,7 g/kg. Tại -20oC độ ẩm riêng bão hòa l 0,78 g hơi n‡ớc trong 1 kg không khí, v độ ẩm t‡ơng đối kết quả l %100)78,0/70,0( ì , hay %7,89 . Bây giờ hãy so sánh với tình huống ấm hơn tại Atlanta, nơi nhiệt độ l 10oC v độ ẩm riêng 6,2 g/kg (gần 10 lần lớn hơn so với ở Montreal!). Tại 10oC độ ẩm riêng bão hòa l 7,7 g hơi n‡ớc trong 1 kg không khí, nên độ ẩm t‡ơng đối l %100)7,7/2,6( ì , hay %9,79 . Hãy chú ý rằng độ ẩm t‡ơng đối ở Atlanta thấp hơn so với ở Montreal, mặc dù thực tế l không khí ở Atlanta chứa nhiều hơi n‡ớc hơn 171 nhiều. Điều ny cho thấy vì sao độ ẩm t‡ơng đối l một lựa chọn kém để so sánh l‡ợng hơi n‡ớc trong không khí ở các nơi khác nhau. Một số ng‡ời hon ton nhầm lẫn về ý nghĩa thực của độ ẩm t‡ơng đối. Một số ng‡ời nghĩ thuật ngữ ny biểu diễn phần không khí l hơi n‡ớc. Điều đó không đúng. Để hiểu vì sao, hãy xét một tình huống trong đó độ ẩm t‡ơng đối l 100%. Nếu không khí có 100% hơi n‡ớc, thì nó không thể chứa nitơ hay ôxy v chúng ta khó m thở đ‡ợc. Một điều nhầm lẫn phổ biến khác, đó l về độ ẩm t‡ơng đối có thể cao nh‡ thế no vo một ngy nóng, ẩm. Nhiều ng‡ời có thể cho rằng vo một ngy nh‡ vậy độ ẩm t‡ơng đối có lẽ khoảng 99%. Nh‡ng trên thực tế, những ngy rất nóng không bao giờ có độ ẩm t‡ơng đối gần với giá trị đó. Bởi vì tại các nhiệt độ cao độ ẩm riêng bão hòa cao hơn rất nhiều so với độ ẩm riêng thực tế vẫn th‡ờng gặp. Ví dụ, nếu nhiệt độ l 35oC, độ ẩm riêng bão hòa l 36,8 g hơi n‡ớc trong 1 kg không khí. Nh‡ng chúng ta đã thấy rằng bên ngoi vùng nhiệt đới ít khi độ ẩm riêng v‡ợt quá 20 g/kg - thậm chí khi không khí rất ẩm. Vậy độ ẩm t‡ơng đối 99% không phải l một khả năng hiện thực tại nhiệt độ đó. Thực ra, những ngy nóng có thể l rất khó chịu thậm chí với độ ẩm t‡ơng đối chỉ khoảng 50%. Điểm s€ơng Một chỉ số độ ẩm hữu ích không bị phụ thuộc nhiệt độ l nhiệt độ điểm s€ơng (hay gọi đơn giản l điểm s€ơng). Đại l‡ợng ny thoạt đầu có thể tỏ ra khó hiểu bởi vì nó đ‡ợc biểu diễn nh‡ nhiệt độ, nh‡ng nó l một chỉ số đơn giản sử dụng v dễ giải thích ý nghĩa. V nó phụ thuộc hầu nh‡ hon ton vo l‡ợng hơi n‡ớc hiện có. Để minh họa điểm s‡ơng, ta xét phần tử không khí ch‡a bão hòa trên hình 5.5. Ban đầu nhiệt độ không khí l 14oC, ứng với một độ ẩm riêng bão hòa 10 g hơi n‡ớc trong 1 kg không khí. Độ ẩm riêng ban đầu l 8 g/kg. Độ ẩm t‡ơng đối do đó bằng 80%. Khi không khí bị lạnh xuống, độ ẩm t‡ơng đối của nó tăng lên v nếu không khí bị lạnh đủ nhiều thì độ ẩm t‡ơng đối của nó đạt đến 100% v trở nên bão hòa. Nếu lạnh tiếp nữa sẽ dẫn tới hơi n‡ớc bị mất do ng‡ng tụ. Nhiệt độ m tại đó sự bão hòa xuất hiện gọi l điểm s‡ơng. Trong ví dụ ny, điểm s‡ơng l 10oC vì đây l nhiệt độ m tại đó độ ẩm riêng bão hòa l 8 g/kg. Hãy để ý rằng mặc dù độ ẩm t‡ơng đối đã tăng lên khi nhiệt độ giảm, nh‡ng điểm s‡ơng giữ nguyên không đổi l 10oC. Điều gì có thể sẽ xảy ra nếu nh‡ độ ẩm riêng giữ nguyên không đổi, còn nhiệt độ thì tăng lên quá giá trị xuất phát 14oC? Độ ẩm t‡ơng đối sẽ bị giảm, còn điểm s‡ơng vẫn giữ nguyên không đổi. Điểm s‡ơng sẽ không thay đổi, bởi vì sự nguội lạnh dần của không khí đến 10oC vẫn dẫn tới sự bão hòa. Điểm s‡ơng l một chỉ thị tốt về dung l‡ợng n‡ớc; khi điểm s‡ơng cao thì nhiều hơi n‡ớc trong không khí. Hơn nữa, khi kết hợp với nhiệt độ không khí, nó l một chỉ thị về độ ẩm t‡ơng đối. Khi điểm s‡ơng thấp hơn nhiều so với nhiệt độ không khí, độ ẩm t‡ơng đối rất thấp. Khi điểm s‡ơng gần bằng nhiệt độ không khí, độ ẩm t‡ơng đối cao. Ngoi ra, khi nhiệt độ không khí v điểm s‡ơng bằng nhau, không khí bão hòa v độ ẩm t‡ơng đối l 100%. Hình 5.5. Điểm s~ơng thể hiện dung l~ợng hơi n~ớc, mặc dù nó đ~ợc biểu diễn nh~ nhiệt độ. Trong (a) nhiệt độ lớn hơn điểm s~ơng v† không khí ch~a bão hòa. Khi nhiệt độ không khí bị hạ thấp sao cho độ ẩm riêng bão hòa bằng chính độ ẩm riêng thực tế (b), thì nhiệt độ không khí v† điểm s~ơng bằng nhau. Tiếp tục bị lạnh nữa (c) dẫn đến nhiệt độ không khí v† điểm s~ơng giảm cùng một l~ợng v† chúng duy trì bằng nhau Khác với độ ẩm t‡ơng đối, điểm s‡ơng không thay đổi đơn giản chỉ vì nhiệt độ không khí thay đổi. Ngoi ra, nếu một địa ph‡ơng có điểm s‡ơng cao hơn so với một địa ph‡ơng khác, thì địa ph‡ơng đó cũng có l‡ợng hơi n‡ớc trong không khí cao hơn trong điều kiện cùng áp suất không khí. Nếu bạn quen thuộc với điểm s‡ơng, có lẽ nó l chỉ số hữu hiệu nhất về dung l‡ợng hơi n‡ớc. Điểm s‡ơng vo những ngy rất nóng, ẩm điển hình ở khoảng âm 2oC. (Khi bạn thấy điểm s‡ơng bằng 70oF hoặc cao hơn, bạn sẽ có một đêm khó ngủ trừ khi bạn dùng máy điều hòa không khí). Vo những ngy dễ chịu, không ẩm v không khô, điểm s‡ơng có thể bằng khoảng một vi phần m‡ời oC d‡ới không; những ngy rất khô có thể có điểm s‡ơng khoảng âm 2oC hoặc thấp hơn. Điểm s‡ơng luôn bằng hoặc thấp hơn nhiệt độ không khí; không bao giờ cao hơn nhiệt độ không khí. Vậy điều gì sẽ xảy ra nếu không khí bị lạnh đến điểm s‡ơng v sau đó lạnh tiếp? Trong tr‡ờng hợp đó, l‡ợng hơi n‡ớc v‡ợt trội l‡ợng có thể tồn tại v l‡ợng hơi n‡ớc thừa bị loại ra khỏi không khí. Điều ny xảy ra bằng quá trình ng‡ng tụ để hình thnh chất lỏng hoặc bằng quá trình hình thnh các tinh thể băng. Trong cả hai tr‡ờng hợp, điểm s‡ơng dều giảm xuống với cùng tốc độ nh‡ nhiệt độ không khí v hai chỉ tiêu đó bằng nhau. Điều ny đ‡ợc minh họa trên 173 hình 5.5b v 5.5c. Khi nhiệt độ bị xuống thấp đến 10oC trên hình 5.5b, không khí trở nên bão hòa với 8 g hơi n‡ớc trong 1 kg không khí. Khi không khí lạnh tiếp tới 6oC (hình 5.5c) độ ẩm riêng bão hòa giảm tới 6 g/kg. Vì độ ẩm riêng theo định nghĩa không thể lớn hơn độ ẩm riêng bão hòa, 2 g hơi n‡ớc (8 g trừ 6 g) phải bị loại ra khỏi mỗi kilôgam không khí bằng ng‡ng tụ. Loại bỏ hơi n‡ớc giữ cho độ ẩm riêng bằng độ ẩm riêng bão hòa v cũng hạ thấp điểm s‡ơng. Hãy l‡u ý rằng nhiệt độ m tại đó có thể xảy ra bão hòa thấp hơn 0oC, chúng ta sử dụng thuật ngữ điểm đóng băng thay cho điểm s‡ơng. 5-1 Dự báo: Điểm s‡ơng v nhiệt độ tối thấp ban đêm Biết nhiệt độ điểm s‡ơng hiện tại l một công cụ hữu ích để dự báo nhiệt độ thấp buổi sáng. Nếu không chờ đợi sự chuyển đổi tr‡ờng gió một cách cơ bản hoặc những thay đổi thời tiết khác, thì nhiệt độ tối thấp sẽ th‡ờng gần bằng điểm s‡ơng. Xét một đêm giả định có nhiệt độ không khí 15oC v điểm s‡ơng 5oC. Khoảng cách giữa nhiệt độ không khí v nhiệt độ điểm s‡ơng l không lớn, tại 10oC thấp hơn nhiệt độ không khí l bình