Khí quyển của các hành tinh và các hệ thống chất lỏng và chất khí khác

- 281 - Ch−¬ng 10. KhÝ quyÓn cña c¸c hμnh tinh & c¸c hÖ thèng chÊt láng vμ chÊt khÝ kh¸c 10.1 C¸c ¶nh h−ëng chñ yÕu ®èi víi c¸c hoμn l−u hμnh tinh Cho ®Õn gÇn ®©y, nghiªn cøu hoμn l−u toμn cÇu ®· ®−îc giíi h¹n trong hoμn l−u cña mét hÖ thèng ®¬n, hoμn l−u khÝ quyÓn Tr¸i §Êt. Trong c¸c ch−¬ng trªn cña chuyªn kh¶o nμy, chóng t«i còng ®· tËp trung chó ý vμo Tr¸i §Êt, minh ho¹ sù vËn chuyÓn h−íng cùc vμ vËn chuyÓn lªn cao cña nhiÖt sinh ra ®éng n¨ng liªn quan nh− thÕ nμo víi hoμn l−u khÝ quyÓn quan tr¾c ®−îc. Chóng t«i ®· m« t¶ mét sè cÊu tróc trong ®ã dßng nhiÖt nμy cã thÓ tham gia vμo hoμn l−u bÊt ®èi xøng trôc cña vßng hoμn l−u Hadley ë c¸c vÜ ®é thÊp vμ c¸c sãng bÊt æn ®Þnh tμ ¸p ë miÒn «n ®íi. C¸c qui luËt nμy kh«ng chØ ®óng ®èi víi hÖ thèng Tr¸i §Êt. Trong ch−¬ng nμy, ta sÏ xem xÐt c¸c vßng hoμn l−u vËn chuyÓn nhiÖt quan tr¾c ®−îc ®èi víi khÝ quyÓn cña Tr¸i §Êt cã ý nghÜa tæng qu¸t nh− thÕ nμo, vμ c¸c vßng hoμn l−u nμy cã thÓ ®−îc biÕn ®æi nh− thÕ nμo trong c¸c tr−êng hîp kh¸c nhau. VÊn ®Ò nμy ®· ®−îc ®Þnh h×nh râ rμng h¬n trong h¬n 20 n¨m qua, khi trong nghiªn cøu vÒ khÝ quyÓn hμnh tinh ®· cã nh÷ng thμnh tùu ®¸ng kÓ. Ngμy nay c¸c con tμu vò trô ®· tõng ®Õn th¨m tÊt c¶ c¸c hμnh tinh cã khÝ quyÓn thuéc hÖ MÆt Trêi ngo¹i trõ Sao Diªm V−¬ng, hμnh tinh nμy cã thÓ cã khÝ quyÓn. Trong tr−êng hîp Sao Kim vμ Sao Ho¶, c¸c tham sè khÝ t−îng ®−îc ®o trùc tiÕp bæ sung thªm cho c¸c sè liÖu ®−îc ®o tõ xa th«ng th−êng. Trong nh÷ng n¨m tíi, chóng ta cã kÕ ho¹ch th¨m dß vμ ®o trùc tiÕp c¸c khÝ quyÓn kh¸c, bao gåm c¶ Sao Méc vμ hμnh tinh Titan. C¸c quan tr¾c tõ Tr¸i §Êt vμ c¸c nghiªn cøu m« pháng trªn m¸y tÝnh ®· gióp ta gi¶i thÝch vμ më réng c¸c th¸m s¸t nμy. B»ng c¸ch ®èi chiÕu vμ so s¸nh tr¹ng th¸i kh¸c nhau cña khÝ quyÓn c¸c hμnh tinh, vÊn ®Ò ®ã ®· thùc sù chÝn muåi vμ trë nªn cã tÝnh khoa häc. B¶ng 10.1 tæng kÕt c¸c yÕu tè vËt lý ®ã cña c¸c hμnh tinh víi mËt ®é khÝ quyÓn phï hîp víi ®éng lùc häc cña c¸c hoμn l−u khÝ quyÓn cña chóng. Ta thÊy ë ®©y b¸n kÝnh vμ mËt ®é cã kho¶ng biÕn ®éng rÊt réng, do ®ã gia tèc träng tr−êng bÒ mÆt còng cã kho¶ng dao ®éng lín. Mét tham sè quan träng n÷a ®ã lμ tèc ®é quay ; tèc ®é nμy cÇn ®−îc so s¸nh víi chu kú quü ®¹o S ®Ó ®¸nh gi¸ quy m« thêi gian cña c¸c hiÖu øng mïa. Tæng l−îng bøc x¹ nhËn ®−îc tõ MÆt trêi tû lÖ nghÞch víi b×nh ph−¬ng kho¶ng c¸ch tõ hμnh tinh ®Õn mÆt trêi. Do ®ã, nã thay ®æi nhiÒu h¬n so víi c¸c tham sè kh¸c trong B¶ng 10.1. B¶ng 10.1 C¸c ®Æc tÝnh vËt lý cña c¸c hµnh tinh cã khÝ quyÓn Hµnh tinh a(106m) g(ms-2) S(Wm-2)  (10-5s-1) S(n¨m) Sao Kim (Venus) 6,05 8,60 2620 0,77 0,030 0,615 Tr¸i §Êt (Earth) 6,37 9,81 1370 0,29 7,29 1,00 - 282 - Sao Háa (Mars) 3,40 3,72 590 0,15 7,09 1,88 Sao Méc (Jupiter) 71,4 22,88 50,6 0,45 17,57 11,86 Sao Thæ (Saturn) 60,0 9,05 15,1 0,61 16,34 29,5 Sao Titan (Titan) 2,56 1,44 15,1 0,21 0,456 29,5 Sao Thiªn V−¬ng (Uranus) 26,15 7,77 3,72 0,37 11,26 84,0 Sao H¶I V−¬ng (Neptune) 24,75 11,00 1,52 0,37 11,05 165 Sao Diªm V−¬ng (Pluto) (1,5) (4,3) 0,88 (0,3) 1,14 2,48 B¶ng 10.2 cho ta sè liÖu vÒ khèi l−îng, nhiÖt ®é vμ thμnh phÇn cña khÝ quyÓn. Trong chuyªn kh¶o nμy, sÏ kh«ng th¶o luËn ®Õn tÝnh phøc t¹p vμ c¸c vÊn ®Ò ®¸ng quan t©m vÒ cÊu t¹o ho¸ häc vμ sù t¹o thμnh cña khÝ quyÓn. T−¬ng tù, c¸c tÝnh chÊt vËn chuyÓn bøc x¹ cña khÝ quyÓn còng kh«ng ®−îc th¶o luËn chi tiÕt, nh−ng sÏ ®−îc coi nh− lμ nh©n tè nguån vμ trung t©m tiªu t¸n nhiÖt, chi phèi chuyÓn ®éng cña khÝ quyÓn. ChØ cã c¸c chÊt xóc t¸c ®ãng gãp ®¸ng kÓ vμo träng l−îng ph©n tö trung b×nh míi ®−îc liÖt kª trªn B¶ng 10.2. §ã kh«ng ph¶i lμ nh÷ng khÝ ho¹t ®éng bøc x¹ tÝch cùc x¸c ®Þnh cÊu tróc nhiÖt. VÝ dô, CO2, h¬i n−íc, «zon lμ c¸c chÊt vËn chuyÓn bøc x¹ cña khÝ quyÓn Tr¸i §Êt vμ nã bÞ thay ®æi ®¸ng kÓ bëi c¸c chÊt xóc t¸c nh− mªtan (CH4). C¸c khÝ nμy nhá, chØ chiÕm kho¶ng h¬n 1% khèi l−îng khÝ quyÓn. KhÝ ¸p vμ nhiÖt ®é bÒ mÆt trong khÝ quyÓn ®−îc cho ë n¬i cã thÓ. Trong tr−êng hîp khÝ quyÓn cã ®é dμy lín nh− Sao Méc, Sao Thæ, Sao Thiªn V−¬ng vμ Sao H¶i V−¬ng, nhiÖt ®é vμ khÝ ¸p ®−îc cho t¹i c¸c ®Ønh m©y cã thÓ nh×n thÊy. H»ng sè thêi gian bøc x¹ E ®−îc −íc l−îng cho mçi khÝ quyÓn b»ng c¸ch sö dông ph−¬ng tr×nh (3.11). Nã ®−îc tÝnh khi biÕt gi¸ trÞ khÝ ¸p bÒ mÆt hay khÝ ¸p t¹i ®Ønh m©y vμ ng−îc l¹i. Tuy nhiªn, nÕu phÇn lín ¸nh s¸ng mÆt trêi bÞ hÊp thô trong c¸c líp máng ë phÇn trªn khÝ quyÓn th× c¸c líp ho¹t ®éng bøc x¹ m¹nh cña khÝ quyÓn sÏ cã kh¶ n¨ng tÝch nhiÖt rÊt nhá vμ th−êng cã gi¸ trÞ E nhá h¬n. Ta cã thÓ thÊy hai nhãm hμnh tinh kh¸c biÖt nhau tõ hai B¶ng 10.1 vμ 10.2. Nhãm thø nhÊt ®−îc gäi lμ “c¸c hμnh tinh kiÓu Tr¸i §Êt” gåm Sao Kim, Tr¸i §Êt vμ Sao Ho¶. C¸c hμnh tinh nμy t−¬ng ®èi nhá, cã mËt ®é lín, víi c¸c líp ®¸ cøng vμ líp phñ manti. KhÝ quyÓn cña chóng phÇn lín ®−îc cÊu t¹o bëi c¸c chÊt khÝ nÆng nh− CO2 hoÆc Nit¬. Nhãm thø hai gäi lμ c¸c hμnh tinh ‘khèi khÝ khæng lå’ gåm Sao Méc, Sao Thæ, Sao Thiªn V−¬ng vμ Sao H¶i V−¬ng lμ c¸c hμnh tinh lín h¬n nhiÒu nh−ng mËt ®é l¹i nhá h¬n. Chóng d−êng nh− kh«ng cã bÒ mÆt cøng, Ýt nhÊt lμ ®Õn tËn líp s©u bªn trong hμnh tinh. C¸c thμnh phÇn khÝ quyÓn cña chóng còng t−¬ng tù so víi khÝ quyÓn MÆt Trêi, víi l−îng hydro vμ helium rÊt lín vμ phÇn cßn l¹i nhá h¬n cã thμnh phÇn phøc t¹p h¬n. Trõ Sao Thiªn v−¬ng, c¸c hμnh tinh khèi khÝ khæng lå ®Òu cã nguån néi nhiÖt ®¸ng kÓ vμ ph¸t nguån nhiÖt bøc x¹ lín h¬n so víi l−îng nhiÖt chóng nhËn tõ MÆt Trêi. Titan cã líp khÝ quyÓn t−¬ng tù ph−¬ng ¸n víi mét khÝ quyÓn l¹nh h¬n cña - 283 - hμnh tinh kiÓu Tr¸i §Êt. §ã lμ mét hμnh tinh nhá cã mËt ®é trung b×nh vμ cã thÓ cÊu t¹o bëi c¸c tinh thÓ b¨ng vμ mét sè d¹ng ®ãng b¨ng kh«ng æn ®Þnh kh¸c. KhÝ quyÓn cña nèic mËt ®é lín vμ nÆng, chñ yÕu cÊu t¹o bëi Nit¬. Ta cßn Ýt biÕt ®Õn khÝ quyÓn cña Sao Diªm V−¬ng (Pluto) mÆc dï nã lμ mét líp khÝ quyÓn máng ®−îc dù ®o¸n tõ sè liÖu quang phæ. KhÝ quyÓn cña Sao Diªm V−¬ng cã thÓ lμ mét cÊu tróc t−¬ng tù nh− hμnh tinh Titan, nh−ng ®ã lμ mét khÝ quyÓn máng h¬n vμ Ýt ho¹t ®éng h¬n. B¶ng 10.2 C¸c ®Æc tÝnh cña khÝ quyÓn c¸c hµnh tinh Hµnh tinh C¸c thµnh phÇn khÝ quyÓn chñ yÕu R(1) PS (2) Ts (3) E(4) Sao Kim (Venus) CO2(96%), N2(3%) 193 90 730 10,8 Tr¸i §Êt (Earth) N2(77%), O2(21%),H2O(1%) 287 1 288 0,065 Sao Háa (Mars) CO2(95%), N2(3%),Ar(2%) 192 0,007- 0,010 218 0,002 Sao Méc (Jupiter)(5) H2(90%),He(10%) 3779 0,42 125 3,15 Sao Thæ (Saturn)(5) H2(97%),He(3%) 4036 1,1 95 63,8 Sao Titan (Titan) N2(82-99%), Ar(0-12%), CH4(1-6%) 280 1,8 92 7,87 Sao Thiªn V−¬ng (Uranus)(5) H2(83%), He(15%), CH4(2%) 3200 5 57 6,80 Sao H¶i V−¬ng (Neptune)(5) H2(83%), He(15%), CH4(2%) 3200 1,5? 57 191 Sao Diªm V−¬ng (Pluto) CH4, N2? 16? 10-5? 40 5 x 10-4 (1) §¬n vÞ Jkg-1K-1 (2) §¬n vÞ 105Pa (3) §¬n vÞ K (4) §¬n vÞ n¨m Tr¸i §Êt (5) KhÝ ¸p bÒ mÆt t−¬ng øng víi ®Üa m©y chñ yÕu vμ nhiÖt ®é bøc x¹. Gi¸ trÞ t¨ng ®èi víi c¸c vËt thÓ xa h¬n. Hoμn l−u khÝ quyÓn cña hμnh tinh ta ®· biÕt ®Òu cã mét ph¹m vi ho¹t ®éng riªng, tuy nhiªn cã thÓ ®−a ra c¸c c¬ chÕ tæng qu¸t. C¸c c¬ chÕ ®ã ®−îc minh häa trªn H×nh 10.1, víi h×nh ¶nh c¸c mμn m©y cña Sao Kim, Tr¸i §Êt vμ Sao Méc. Sao Kim bÞ m©y bao phñ hoμn toμn; trong ¸nh s¸ng tia cùc tÝm, c¸c ®Ønh m©y biÓu hiÖn lμ mét vïng tèi d−êng nh− b¾t nguån tõ miÒn nhiÖt ®íi vμ h−íng vÒ c¸c cùc theo ®−êng xo¸y ch«n èc. Mμn m©y bao phñ 30% bÒ mÆt Tr¸i §Êt. H×nh ¶nh cho ta thÊy mét d¶i ®èi l−u cã liªn quan víi d¶i héi tô nhiÖt ®íi - ITCZ vμ kÕ cËn víi vïng phÝa d−íi cña nh¸nh ®i xuèng - 284 - cña vßng hoμn l−u Hadley. C¸c mμn m©y xo¸y cã liªn quan víi vïng ¸p thÊp miÒn «n ®íi lμ c¸c vïng quan träng t¹i vÜ ®é cao. Sao Méc còng bÞ m©y bao phñ hoμn toμn, víi c¸c vïng s¸ng cña m©y tÇng cao vμ c¸c vïng tèi h¬n cña mμn m©y dμy h¬n ë tÇng thÊp. C¸c ®¸m m©y th−êng ®−îc s¾p xÕp thμnh d¶i n»m däc theo vÜ h−íng víi c¸c nhiÔu ®éng phÇn lín lμ tøc thêi víi qui m« nhá. C¸c nhiÔu ®éng nμy th−êng cã cÊu tróc h×nh oval hoÆc c¸c xo¸y rèi bÊt th−êng h¬n. C¸c d¶i m©y cho thÊy cã n¨m hay s¸u dßng xiÕt trong ®íi giã t©y còng nh− trong ®íi giã ®«ng liªn quan víi d¶i m©y vÜ h−íng. TÊt nhiªn hoμn l−u Tr¸i §Êt ®−îc nghiªn cøu vμ hiÓu biÕt nhiÒu nhÊt. ViÖc gi¶i thÝch c¸c hoμn l−u ®−îc quan tr¾c trªn phÇn lín c¸c hμnh tinh kh¸c cßn lμ vÊn ®Ò cÇn bμn luËn rÊt nhiÒu. Gi¶i quyÕt vÊn ®Ò tranh c·i nμy ®ßi hái c¸c th¸m s¸t chi tiÕt h¬n, ®Æc biÖt lμ cÊu tróc th¼ng ®øng cña khÝ quyÓn cña c¸c hμnh tinh khÝ khæng lå. H¬n n÷a, hoμn l−u khÝ quyÓn chÞu t¸c ®éng cña mét sè nh©n tè nh− thμnh phÇn ho¸ häc kh«ng thÓ ®o trùc tiÕp. C¸c ®Æc tÝnh kh¸c cßn quan träng h¬n. C¸c nh©n tè c¬ b¶n chi phèi c¬ chÕ hoμn l−u lμ: (i) C−êng ®é vμ sù ph©n bè cña nguån nhiÖt vμ c¸c trung t©m tiªu t¸n nhiÖt. Trong khi ®ã ta còng cÇn nhí r»ng b¶n th©n hoμn l−u cã thÓ hç trî tæ chøc vμ t¨ng c−êng c¸c nguån vμ c¸c trung t©m tiªu t¸n nhiÖt. VÝ dô, ë miÒn nhiÖt ®íi cña Tr¸i §Êt c¸c dßng héi tô mùc thÊp ®em Èm tíi, khëi ®Çu ®èi l−u Èm vμ gi¶i phãng Èn nhiÖt. Sù ®èt nãng nμy cã thÓ lμm t¨ng c−êng héi tô mùc thÊp. (ii) B¶n th©n hμnh tinh t¸c ®éng ®Õn b»ng c¬ chÕ ®éng lùc ®èi víi chuyÓn ®éng. Quan träng h¬n c¶ lμ tèc ®é quay vμ kÝch th−íc cña hμnh tinh. (iii) B¶n chÊt tù nhiªn cña mÆt tr¶i d−íi. §Æc biÖt, lùc ma s¸t kÐo t¸c ®éng vμo khÝ quyÓn lμ mét nh©n tè quan träng. §Þa h×nh cña bÒ mÆt thÊp còng ph¶i ®−îc xem xÐt d−íi ¶nh h−ëng cña sù ®èt nãng nμy; nÕu ®Þa h×nh ®ñ cao th× hoμn l−u cã thÓ bÞ biÕn ®æi ®¸ng kÓ. Ta sÏ trë l¹i xÐt tõng nh©n tè nμy, b»ng c¸ch ph¸c ho¹ ph¹m vi biÕn ®æi ®èi víi c¸c hμnh tinh trong hÖ MÆt Trêi. Th¶o luËn chi tiÕt h¬n sÏ ®−îc tr×nh bμy trong c¸c phÇn sau. KhÝ quyÓn cña c¸c hμnh tinh kiÓu Tr¸i §Êt phÇn lín nhËn ®−îc tõ qu¸ tr×nh hÊp thô bøc x¹ mÆt trêi. C¸c nhiÔu ®éng th¼ng ®øng cña nhiÖt l−îng thu ®−îc lμ mét ®Æc tÝnh cÇn thiÕt cña hoμn l−u. Hoμn l−u khÝ quyÓn cÇn ph¶i cã dßng nhiÖt th¨ng, nh− ta ®· thÊy trong ph−¬ng tr×nh (5.26). Do ®ã, nÕu toμn bé n¨ng l−îng mÆt trêi ®−îc hÊp thô t¹i mét vμi mùc trªn cao trong khÝ quyÓn th× ®éng n¨ng sÏ kh«ng ®−îc sinh ra trong c¸c mùc thÊp h¬n cña khÝ quyÓn. C¸c qu¸ tr×nh bøc x¹ sÏ t¹o ra mét tr¹ng th¸i ®¼ng nhiÖt ë phÇn d−íi cña khÝ quyÓn. HËu qu¶ nμy, ®«i khi gäi lμ ®Þnh lý Sandstrom, ®óng ®èi víi c¸c ®¹i d−¬ng cña Tr¸i §Êt; c¸c dßng ch¶y quan tr¾c trong ®¹i d−¬ng kh«ng hoμn toμn bÞ ®iÒu khiÓn bëi nhiÖt mμ do t¸c ®éng c¬ häc cña khÝ quyÓn. Trong tr−êng hîp khÝ quyÓn phñ ®Çy m©y vμ cã ®é dμy lín nh− khÝ quyÓn Sao Kim, ta cã thÓ dù b¸o t−¬ng tù c¸c líp ho¹t ®éng cã ý nghÜa khÝ t−îng cña khÝ quyÓn. §ã lμ líp phÝa trªn ®Ønh m©y, ë ®é cao kho¶ng 60km c¸ch mÆt ®Êt víi líp ®¼ng nhiÖt dμy phÝa d−íi. Gradien nhiÖt ®é th¼ng ®øng cña Sao Kim gÇn b»ng gradien ®o¹n nhiÖt ë phÝa d−íi - 285 - ®Ønh m©y vμ kho¶ng 4% bøc x¹ mÆt trêi ®−îc hμnh tinh nμy hÊp thô cã thÓ tíi bÒ mÆt. Do ®ã, mÆc dï c¸c líp ®Ønh m©y lμ líp ho¹t ®éng khÝ t−îng quan träng nhÊt nh−ng bøc x¹ ®¹t ®Õn khÝ quyÓn tÇng thÊp cña Sao Kim ®ñ ®Ó ®iÒu khiÓn c¸c chuyÓn ®éng yÕu gÇn bÒ mÆt. Trong tr−êng hîp Tr¸i §Êt vμ Sao Háa, l−îng bøc x¹ ®Õn bÒ mÆt nhiÓu h¬n ®−a khÝ quyÓn tíi tr¹ng th¸i bÊt æn ®Þnh tÜnh. Sù vËn chuyÓn nhiÖt theo ph−¬ng th¼ng ®øng bëi c¸c hoμn l−u hμnh tinh gióp cho viÖc gi¶i thÝch tr¹ng th¸i æn ®Þnh tÜnh quan tr¾c ®−îc; Ýt nhÊt trong ®iÒu kiÖn kh«ng cã bôi, nh− sù æn ®Þnh ho¸ quy m« lín, c¸c dßng nhiÖt ®éng lùc lμ mét qu¸ tr×nh chiÕm −u thÕ trªn Sao Ho¶. Trªn Tr¸i §Êt ®é bÊt æn ®Þnh tÜnh quan tr¾c ®−îc còng bÞ chi phèi bëi gradien ®o¹n nhiÖt Èm ë miÒn nhiÖt ®íi. MÆt kh¸c, tÊt c¶ c¸c hμnh tinh khæng lå Sao Méc, Sao Thæ vμ Sao H¶i V−¬ng ®Òu cã mét nguån néi nhiÖt ®¸ng kÓ. NhiÖt n¨ng nμy b¾t nguån tõ sù suy yÕu träng tr−êng chËm cña c¸c hμnh tinh. Trong tr−êng hîp cña Sao Méc, ng−êi ta −íc tÝnh sù gi¶m b¸n kÝnh cña nã lμ kho¶ng 1 mm trong mét thÕ kû, ®iÒu ®ã gióp gi¶i thÝch cho dßng nhiÖt nãi trªn. Sao Thiªn V−¬ng l¹i kh¸c so víi c¸c hμnh tinh khÝ lín ë chç nã gÇn nh− kh«ng cã nguån néi nhiÖt ®¸ng kÓ, mÆc dï nã cã nhiÒu ®Æc tr−ng vËt lÝ gÇn gièng víi c¸c ®Æc tr−ng cña Sao H¶i V−¬ng. Ngoμi Sao Thiªn V−¬ng, nguån néi nhiÖt cña nã l¹i lín h¬n l−îng nhiÖt nhËn ®−îc tõ MÆt Trêi. Do ®ã, ®iÒu kiÖn cÇn thiÕt cho sù vËn chuyÓn nhiÖt th¼ng ®øng t¨ng, trong khi ®ã sù ®èt nãng cña bøc x¹ mÆt ph¶i t−¬ng ®èi nhá, ®iÒu ®ã cã nghÜa lμ gradien ngang cña nhiÖt ®é nhá vμ do ®ã sù vËn chuyÓn nhiÖt h−íng cùc cã thÓ Ýt quan träng h¬n. §é lín cña hiÖu øng nμy cßn ch−a ®−îc biÕt chÝnh x¸c, do ®ã kÕt qu¶ nμy ta thÊy r»ng chÕ ®é dßng giã cña c¸c hμnh tinh vÉn lμ mét vÊn ®Ò ®ang cßn tranh c·i. C−êng ®é cña ®èt nãng ®−îc ®o t−¬ng øng bëi thêi gian gi¶m yÕu bøc x¹. CÊu tróc nhiÖt thùc lμ kÕt qu¶ cña hai nhãm qu¸ tr×nh bï trõ nhau. T¸c ®éng bøc x¹ sinh ra gradien nhiÖt ®é theo c¶ ph−¬ng th¼ng ®øng vμ ph−¬ng ngang. ChuyÓn ®éng do nhiÖt t¹o ra trong khÝ quyÓn lμ qu¸ tr×nh lμm gi¶m c¸c gradien nhiÖt ®é. NÕu quy m« thêi gian bøc x¹ lμ ng¾n h¬n so víi quy m« thêi gian ®éng lùc, liªn quan tíi hoμn l−u hμnh tinh th× cÊu tróc nhiÖt cña khÝ quyÓn rÊt khã bÞ nhiÔu ®éng m¹nh bëi c¸c qu¸ tr×nh ®éng lùc, vμ cÊu tróc nhiÖt trung b×nh sÏ tiÕn dÇn tíi c©n b»ng bøc x¹. MÆt kh¸c, trong giíi h¹n quy m« gi¶m yÕu bøc x¹ rÊt dμi, chuyÓn ®éng kh«ng khÝ sÏ triÖt tiªu gÇn nh− toμn bé gradien nhiÖt ®é. Tèc ®é quay cña hμnh tinh lμ mét lùc ®Èy m¹nh nhÊt ®èi víi chÕ ®é dßng khÝ hμnh tinh. ChuyÓn ®éng quay nhanh lμm t¨ng chuyÓn ®éng th¼ng ®øng vμ chuyÓn ®éng h−íng cùc vμ do ®ã biÕn ®æi ®Æc tr−ng cña hoμn l−u cÇn cho vËn chuyÓn nhiÖt. Víi tèc ®é quay nhá, vßng hoμn l−u Hadley cã thÓ vËn chuyÓn toμn bé nhiÖt. Víi tèc ®é quay lín, hoμn l−u Hadley bÞ thu hÑp thμnh mét d¶i ë miÒn nhiÖt ®íi, trong khi ®ã c¸c qu¸ tr×nh kh¸c nh− bÊt æn ®Þnh tμ ¸p sÏ chiÕm −u thÕ trong vËn chuyÓn nhiÖt ë miÒn vÜ ®é cao. Quy m« ®Æc tr−ng cña hÇu hÕt c¸c quy m« bÊt æn ®Þnh tμ ¸p, LR, ®−îc cho bëi f NH kL 1RR   (10.1) - 286 - H×nh 10.1 C¸c bøc ¶nh vÒ ®Ønh m©y cho thÊy mét sè ®Æc ®iÓm cña hoµn l−u khÝ quyÓn cña ba hµnh tinh. (a) Sao Kim, chôp víi b−íc sãng cùc tÝm. (b) Tr¸i §Êt chôp víi b−íc sãng nh×n thÊy. (c) Sao Méc, chôp víi b−íc sãng nh×n thÊy. Ph−¬ng tr×nh nμy cho ta thÊy quy m« cña c¸c sãng tμ ¸p t¨ng theo tèc ®é quay do ®ã hiÖu suÊt cña qu¸ tr×nh vËn chuyÓn nhiÖt sÏ gi¶m khi LR nhá h¬n nhiÒu so víi a, b¸n kÝnh cña hμnh tinh. Tèc ®é quay cña c¸c hμnh tinh trong hÖ MÆt Trêi biÕn ®æi trong ph¹m vi rÊt réng, tõ gi¸ trÞ rÊt nhá cña Sao Kim cho tíi tèc ®é quay cùc nhanh cña Sao Méc. VËn tèc quay trªn ®−êng xÝch ®¹o a biÕn ®æi tõ 1,8 m/s ®èi víi Sao Kim ®Õn 12500m/s ®èi víi Sao Méc, tèc ®é nμy gÇn 7000m/s. §Æc ®iÓm cña bÒ mÆt còng lμ mét nh©n tè ®¸ng kÓ. BÒ mÆt cña hμnh tinh tùa Tr¸i §Êt, r¾n vμ gå ghÒ, g©y t¸c ®éng ma s¸t ®¸ng kÓ ®èi víi khÝ quyÓn. §èi víi Tr¸i §Êt, thêi gian ‘gi¶m yÕu’ trung b×nh toμn cÇu ®èi víi chuyÓn ®éng tÇng ®èi l−u lμ kho¶ng 5 ngμy. C¸c hμnh tinh khÝ khæng lå kh«ng cã bÒ mÆt cøng. C¸c m« h×nh lý thuyÕt cho ta thÊy r»ng líp phñ manti cña chóng gÇn nh− thuéc vÒ thÓ khÝ cho ®Õn c¸c ®é s©u rÊt lín. Cã thÓ gÇn t©m cña hμnh tinh sÏ cã mét lâi ®¸. Nh−ng sù trao ®æi dßng ®éng l−îng gi÷a c¸c líp ho¹t ®éng khÝ t−îng cña khÝ quyÓn vμ c¸c lâi s©u lμ rÊt nhá, do ®ã thêi gian gi¶m yÕu ®èi víi hoμn l−u sÏ dμi h¬n so víi hμnh tinh kiÓu Tr¸i §Êt. Kú l¹ lμ ®iÒu ®ã kh«ng cã nghÜa lμ cÇn ph¶i cã hoμn l−u cã quy m« lín h¬n. VÒ mÆt n¨ng l−îng - 287 - th× sù sinh ®éng n¨ng bëi c¸c dßng nhiÖt h−íng cùc vÒ c¬ b¶n ph¶i c©n b»ng víi sù tiªu t¸n ®éng n¨ng do ma s¸t. NÕu lùc ma s¸t gi¶m th× sù sinh ra ®éng n¨ng, do ®ã lμ c¸c dßng nhiÖt h−íng cùc vμ dßng nhiÖt th¼ng ®øng còng gi¶m. KÕt qu¶, khÝ quyÓn sÏ thô ®éng vÒ mÆt khÝ t−îng, víi c¸c vect¬ vËn tèc giã song song víi c¸c ®−êng ®¼ng nhiÖt. §Þa h×nh bÒ mÆt cøng cã ®é cao ®¸ng kÓ cña hμnh tinh sÏ lμm biÕn ®æi hoμn l−u khÝ quyÓn. Sao Háa cã bÒ mÆt ®Þa h×nh cao h¬n vμ tr¶i ra trªn diÖn tÝch réng h¬n so víi Tr¸i §Êt nªn sù ®ãng gãp cña t¸c ®éng xo¸y dõng ®èi víi vËn chuyÓn nhiÖt toμn cÇu ph¶i lín h¬n. VÝ dô ®iÓn h×nh nhÊt lμ c¸c ®¹i d−¬ng Tr¸i §Êt. ViÖc biÓu diÔn vËt c¶n theo h−íng kinh tuyÕn chiÕm −u thÕ trong hoμn l−u cña phÇn lín c¸c ®¹i d−¬ng. Trong môc tiÕp chóng t«i sÏ xem xÐt nhãm khÝ quyÓn cña c¸c hμnh tinh ®· biÕt ®Ó kÕt nèi nh÷ng ®iÒu ®· biÕt vÒ hoμn l−u khÝ quyÓn. Ta còng sÏ tãm t¾t vÒ hoμn l−u trong hÖ thèng liªn hÖ víi hÖ thèng ®¹i d−¬ng vμ chÊt khÝ quay trong phßng thÝ nghiÖm. 10.2 C¸c hoμn l−u kiÓu Tr¸i §Êt C¸c hoμn l−u toμn cÇu kiÓu Tr¸i §Êt ®−îc ®Æc tr−ng bëi mét ‘c¬ chÕ Hadley’ ®èi xøng trôc thùc t¹i c¸c vÜ ®é thÊp, vμ mét c¬ chÕ tùa ®Þa chuyÓn ®· bÞ nhiÔu ®éng theo vÜ h−íng t¹i c¸c vÜ ®é cao h¬n. Hai c¬ chÕ nμy t−¬ng t¸c víi nhau m¹nh mÏ, vμ ®Æc biÖt trong mïa ®«ng ë B¾c B¸n CÇu c¸c sãng dõng c−ìng bøc biÓu hiÖn mét c¸ch phøc t¹p h¬n. TÊt c¶ c¸c vÊn ®Ò ®Òu ®· ®−îc ®Ò cËp ®Õn víi c¸c møc ®é chi tiÕt kh¸c nhau trong c¸c ch−¬ng tr−íc. Môc ®Ých cña môc nμy lμ nghiªn cøu kho¶ng biÕn ®æi cña c¸c ®iÒu kiÖn mμ víi chóng viÖc m« t¶ nμy cßn h÷u Ých. §Æc biÖt, c¬ chÕ tùa ®Þa chuyÓn sÏ ®−îc th¶o luËn trong môc nμy, cßn c¬ chÕ Hadley sÏ ®−îc xem xÐt ®Õn trong môc sau. Sù vËn chuyÓn nhiÖt trong c¬ chÕ tùa ®Þa chuyÓn kiÓu Tr¸i §Êt vÒ nguyªn t¾c x¶y trong c¸c nhiÔu ®éng tμ ¸p víi ®Æc ®iÓm lμ theo chiÒu cao c¸c sãng tμ ¸p nghiªng vÒ phÝa t©y. §Þnh lý Eady trong môc 5.4 xuÊt ph¸t tõ lý thuyÕt bÊt æn ®Þnh tuyÕn tÝnh, nã cho phÐp ta dù b¸o quy m« vμ cÊu tróc cña c¸c nhiÔu ®éng quan tr¾c ®−îc ë miÒn «n ®íi cña Tr¸i §Êt. Ta biÕt sè sãng vÜ h−íng cña phÇn lín sãng bÊt æn ®Þnh lμ k = 1,61 KR (10.2) trong ®ã KR-1 = LR lμ b¸n kÝnh biÕn d¹ng Rossby, ®−îc viÕt nh− sau f NHLR  (10.3) B¸n kÝnh Rossby lμ quy m« ®é dμi ®Æc tr−ng cña nhiÔu ®éng ë miÒn «n ®íi. §iÒu kiÖn cÇn ®Çu tiªn cho c¸c nhiÔu ®éng nμy tån t¹i lμ hμnh tinh ph¶i ®ñ lín ®Ó chøa ®−îc c¸c b−íc sãng bÊt æn ®Þnh, tøc lμ LR  a (10.4) §èi víi Tr¸i §Êt, LR/a b»ng kho¶ng 0,12, nh− vËy nã cã thÓ gi¶m ®Õn kho¶ng gi¸ trÞ thÝch hîp mμ bÊt æn ®Þnh tμ ¸p vÉn cã thÓ x¶y ra. §èi víi Sao Ho¶, tû lÖ ®ã b¼ng kho¶ng 0,33, ®iÒu nμy cho ta thÊy c¸c sãng tμ ¸p vÉn t−¬ng tù nh− ë Tr¸i §Êt nh−ng nã sÏ cã quy m« biÕn ®æi trong giíi h¹n réng h¬n liªn quan víi b¸n kÝnh hμnh tinh. - 288 - Tèc ®é ph¸t triÓn cña hÇu hÕt sãng bÊt æn ®Þnh ®−îc ®−a ra trong ph−¬ng tr×nh (5.52). Ta cã thÓ viÕt l¹i nh− sau fRi31,0 2/1 (10.5) trong ®ã Ri lμ sè Richardson kh«ng thø nguyªn, ®−îc x¸c ®Þnh b»ng N2 / (uz)2, hiÓu mét c¸ch ®¬n gi¶n nhÊt th× ®ã lμ mét ®¹i l−îng v« thø nguyªn cña ®é bÊt æn ®Þnh tÜnh. NÕu c©n b»ng giã nhiÖt kh«ng bÞ ph¸ vì th× Ri hoμn toμn cã thÓ ®−îc viÕt theo c¸c sè h¹ng gradien nhiÖt ®é thÕ vÞ    2yz02gfRi  (10.6) Ph©n tÝch tùa ®Þa chuyÓn ®Ó dÉn ph−¬ng tr×nh (5.6) chØ phï hîp víi c¸c gi¸ trÞ Ri lín, tøc lμ víi tèc ®é quay lín vμ tÇng bÊt æn ®Þnh cao, nh−ng gradien nhiÖt ®é theo ph−¬ng ngang t−¬ng ®èi yÕu. MiÒn «n ®íi cña Tr¸i §Êt ®−îc ®Æc tr−ng bëi sè Ri  50, nh− vËy chóng cã thÓ gi¶m trong giíi h¹n nμy. Nh−ng trªn nh¸nh h−íng xÝch ®¹o cña dßng xiÕt cËn nhiÖt, gi¸ trÞ ®Þa ph−¬ng cña Ri nhá h¬n rÊt nhiÒu, nãi chung nhá h¬n 10. Lý thuyÕt cã thÓ thay ®æi ®èi víi sè Ri nhá h¬n. Nh−ng khi Ri xÊp xØ ®¬n vÞ (= 1) hoÆc nhá h¬n th× c¬ chÕ ®éng lùc sÏ hoμn toμn kh¸c, chiÕm −u thÕ bëi ‘c¸c bÊt æn ®Þnh ®èi xøng’ víi sè sãng vÜ h−íng b»ng kh«ng nh−ng quy m« kinh h−íng bÞ giíi h¹n. Do ®ã, ®é æn ®Þnh tÜnh cña khÝ quyÓn ®−îc coi lμ mét ®Æc tÝnh quan träng trong viÖc x¸c ®Þnh c¸c ®Æc ®iÓm hoμn l−u cña nã. Khã kh¨n mμ ta gÆp ph¶i lμ gradien ngang vμ gradien th¼ng ®øng cña nhiÖt ®é thÕ vÞ kh«ng x¸c ®Þnh ®−îc c¸c ®Æc tr−ng cña khÝ quyÓn. C¸c nguån vμ c¸c trung t©m tiªu t¸n nhiÖt t¸c ®éng ®éc lËp cã thÓ gióp x¸c ®Þnh c¸c gi¸ trÞ c©n b»ng bøc x¹ cña gradien nhiÖt ®é nh−ng b¶n th©n hoμn l−u khÝ quyÓn sÏ lμm biÕn ®æi ph©n bè nhiÖt ®é. Riªng ®èi víi Tr¸i §Êt, ®Ó x¸c ®Þnh gi¸ trÞ thùc cña sè Ri ®èi víi khÝ quyÓn hμnh tinh víi ®é chÝnh x¸c cao. §iÒu ®ã lμ do rÊt khã x¸c ®Þnh chÝnh x¸c tÇng kÕt cña khÝ quyÓn. H¬n n÷a, ®èi víi c¸c hμnh tinh khÝ khæng lå ta kh«ng biÕt gradien ë phÝa d−íi ®Ønh m©y nªn ë ®©y xuÊt hiÖn mét c©u hái míi lμ c¸c hoμn l−u trªn c¸c hμnh tinh nμy cã ph¶i lμ tùa ®Þa chuyÓn, tμ ¸p hay kh«ng hoÆc chóng thuéc vÒ lo¹i hoμn toμn kh¸c. §Ó nghiªn cøu s©u h¬n, ta cÇn ph¶i tham sè ho¸ sù vËn chuyÓn nhiÖt cña hoμn l−u tùa ®Þa chuyÓn trong c¸c sè h¹ng gradien nhiÖt ®é ¶nh h−ëng tíi c¸c ®¹i l−îng kh¸c. MÆc dï ®· cã rÊt nhiÒu cè g¾ng, hiÖn nay vÉn ch−a thùc hiÖn ®−îc ®iÒu ®ã. H¬n n÷a ®ã lμ mét trong nh÷ng nguyªn nh©n t¹i sao nghiªn cøu hoμn l−u toμn cÇu ngμy nay chñ yÕu lμ c¸c thö nghiÖm m« h×nh toμn cÇu (GCM). C¸c thö nghiÖm ®· m« h×nh hãa c¸c giai ®o¹n ph¸t triÓn cña mçi nhiÔu ®éng riªng biÖt. ViÖc sö dông c¸c m« h×nh sè phøc cã thÓ lμ mét ph−¬ng ph¸p h÷u Ých trong viÖc nghiªn cøu lý thuyÕt c¬ chÕ ®éng lùc cña c¸c dßng khÝ hμnh tinh. Nh−ng víi môc ®Ých chøng minh nμy ta sÏ giíi h¹n ë viÖc tham sè ho¸ vËn chuyÓn nhiÖt tμ ¸p vμ tõ ®ã thu ®−îc mét m« h×nh ph©n tÝch cÊu tróc cña c¸c khÝ quyÓn hμnh tinh ®èi víi kho¶ng c¸c gi¸ trÞ ngo¹i suy. C¸c ph©n tÝch nμy dùa trªn m« h×nh tuyÕn tÝnh Eady víi ®é bÊt æn ®Þnh tμ ¸p. C¸c ph−¬ng tr×nh tÝnh c¸c dßng nhiÖt ®é ngang vμ th¼ng ®øng trong môc 5.4 t−¬ng øng lμ - 289 - (5.54) vμ (5.56). §èi víi môc ®Ých tÝnh to¸n ®Þnh l−îng th× sè sãng cña phÇn lín sãng bÊt æn ®Þnh sÏ ®−îc thay thÕ trong c¸c ph−¬ng tr×nh ®ã vμ c¸c dßng sÏ ®−îc tÝnh t¹i mùc gi÷a vμ t¹i c¸c ®iÓm thuéc vÜ ®é trung b×nh. Víi c¸c c¸ch chän ®Æc biÖt nμy, c¸c dßng nhiÖt ®é ®−îc viÕt l¹i nh− sau   2202** gNHf9,3v  (10.7)     223 y2** HNf2,1w  (10.8) trong ®ã,  lμ biªn ®é hμm dßng. Mét gi¸ trÞ ®Æc tr−ng cña  cÇn ph¶i ®−îc −íc tÝnh ®Ó cã thÓ tÝnh ®−îc c¸c dßng nhiÖt tõ ph−¬ng tr×nh (10.7) vμ (10.8). CÇn ph¶i gi¶ thiÕt mét sè mèi quan hÖ gi÷a  vμ tr¹ng th¸i trung b×nh cña khÝ quyÓn; mèi quan hÖ ®ã ®−îc gäi lμ ‘gi¶ thiÕt khÐp kÝn’. Mét sè gi¶ thiÕt khÐp kÝn ®ã cã thÓ thùc hiÖn ®−îc; tÊt c¶ ®Òu cã thÓ gi¶i thÝch ®−îc gi¶ thiÕt khÐp kÝn trong môc nμy lμ c¸c sãng ®¹t ®−îc mét biªn ®é ®Æc tr−ng ®ã lμ U x v*   (10.9) §iÒu nμy muèn nãi r»ng hμm dßng t¹o víi dßng nÒn vÜ h−íng kh«ng nhiÔu ®éng mét gãc b»ng kho¶ng 45o khi biªn ®é t¨ng liªn tôc. Sö dông ph−¬ng tr×nh (10.9) kÕt hîp víi c«ng thøc gi¶i mode chuÈn ®èi víi hÇu hÕt sãng bÊt æn ®Þnh biÓu diÔn b»ng ph−¬ng tr×nh (5.44) vμ (5.46), ta nhËn ®−îc c¸c −íc l−îng dßng nhiÖt ®é toμn phÇn       2/1z2y2/3 0 2 22/3 ** f Hg5,1v  (10.10)       2/1z3y2/3 0 2 22/3 ** f Hg46,0w  (10.11) C¸c biÓu thøc nμy cã liªn quan víi c¸c dßng nhiÖt ®é th¼ng ®øng vμ dßng nhiÖt ®é h−íng cùc ®Æc tr−ng cho gradien nhiÖt ®é th¼ng ®øng vμ gradien nhiÖt ®é ngang. LiÖu kÕt qu¶ tÝnh cã chÝnh x¸c kh«ng, rÊt nhiÒu thö nghiÖm m« h×nh hoμn l−u toμn cÇu ®· thÊt b¹i; ta cã thÓ tham sè ho¸ ®¬n gi¶n c¸c hÖ thèng tμ ¸p cña miÒn «n ®íi. KÕt qu¶ lμ c¸c nghiªn cøu vÒ hoμn l−u toμn cÇu sÏ cã triÓn väng. Thùc tÕ, c¸c −íc l−îng nμy lμ rÊt th«; tèi ®a, chóng chØ ®¬n thuÇn cho ta mét xÊp xØ cao h¬n so víi dßng nhiÖt ®é thùc. Môc ®Ých cña ta trong ch−¬ng nμy kh«ng ph¶i lμ ®Ó cã ®−îc c¸c kÕt qu¶ dù b¸o rÊt chÝnh x¸c vÒ ®é lín thùc cña c¸c dßng nhiÖt ®ã trong c¸c tr−êng hîp ®Æc biÖt mμ lμ t×m ra sù phô thuéc cña c¸c dßng nhiÖt vμo c¸c ®Æc ®iÓm cña hμnh tinh ch¼ng h¹n nh− tèc ®é quay. C¸c dßng nhiÖt ®é cã liªn quan víi c¸c sãng tμ ¸p sÏ lμm biÕn ®æi c¸c gradien nhiÖt ®é theo c¶ ph−¬ng ngang vμ ph−¬ng th¼ng ®øng. C¸c ¶nh h−ëng nμy sÏ bÞ triÖt tiªu bëi c¸c qu¸ tr×nh bøc x¹, ho¹t ®éng ®éc lËp, sÏ t¹o ra tr¹ng th¸i c©n b»ng bøc x¹. Ta sÏ viÕt l¹i ph−¬ng tr×nh nhiÖt ®éng lùc nh− sau - 290 -           E H**** w z v yt      (10.12) C¸c dßng ®èi nhau nhá h¬n do hoμn l−u trung b×nh vÜ h−íng ®−îc bá qua. LÊy vi ph©n theo y hoÆc z sau ®ã nhËn ®−îc ph−¬ng tr×nh tÝnh gradien nhiÖt ®é thÕ vÞ theo chiÒu th¼ng ®øng vμ h−íng cùc. Theo ®Þnh lý Eady, [v**]yz = 0; ®¹o hμm theo ph−¬ng ngang còng sÏ ®−îc bá qua. §¹o hμm bËc hai cña c¸c dßng nhiÖt ®é ®−îc xÊp xØ b»ng c«ng thøc sau         2**zz**2**yy** H/ww,a/vv  (10.13) Sè h¹ng ®Çu tiªn cña c¸c biÓu thøc nμy cho thÊy r»ng cã mét vïng sãng tμ ¸p ®¬n lÎ gi÷a xÝch ®¹o vμ cùc; trong tr−êng hîp mμ ta sÏ xÐt ë môc 10.4 khi ë ®ã cã thÓ cã mét sè quü ®¹o b·o song song cã quy m« nhá h¬n a nh− theo c«ng thøc nμy. C¸c ph−¬ng tr×nh ®èi víi gradien nhiÖt ®é cã thÓ ®−îc viÕt nh− sau E E22/1 22/3 0 2 22/3 t BB BV a Hg75,0B   (10.14) E E32/1 2/3 0 2 2/3 t VV BVg23,0V    (10.15) §Ó thuËn tiÖn h¬n, ®Æt B vμ V theo c¸c c«ng thøc sau B = - []y, V = []z (10.16) Nh− vËy B d−¬ng ®èi víi tr¹ng th¸i b×nh th−êng, khi c¸c vïng cùc l¹nh h¬n xÝch ®¹o; BE vμ VE lμ c¸c gi¸ trÞ c©n b»ng bøc x¹ cña B vμ V. KhÝ hËu trong tr¹ng th¸i