Tài liệu Hệ thống khí hậu vật lý toàn cầu phần 1

§¹i häc quèc gia Hµ Néi Tr−êng ®¹i häc khoa häc tù nhiªn Dennis L. Hartmann KhÝ hËu vËt lý toµn cÇu Biªn dÞch: Phan V¨n T©n TrÇn C«ng Minh Ph¹m v¨n HuÊn Hµ Néi – 2002 Global Physical Climatology Dennis L.Hartmann Department of atmospheric sciences Univercity of warshington Seatle warshington Academic press San Diego, New York, Boston London, Sydney, Tokyo, Toronto Lêi dÉn Khoa häc vÒ khÝ hËu b¾t ®Çu ph¸t triÓn rÊt nhanh trong nh÷ng n¨m thuéc phÇn ba cuèi cïng cña thÕ kû 20. Sù ph¸t triÓn nhanh nµy do mét vµi nguyªn nh©n. Trong kho¶ng thêi gian nµy sù quan s¸t tr¸i ®Êt tõ mÆt tr¨ng ®· lµm cho con ng−êi hiÓu râ h¬n vÒ b¶n chÊt kh¸c th−êng cña ng«i nhµ hµnh tinh cña hä vµ ®ång thêi ®iÒu ®ã còng lµm cho con ng−êi hiÓu r»ng hä cã thÓ lµm thay ®æi m«i tr−êng toµn cÇu. Sù ph¸t triÓn khoa häc vµ kü thuËt cho ta nh÷ng th«ng tin míi, ®Þnh l−îng vÒ sù biÕn ®éng khÝ hËu trong qu¸ khø, nh÷ng sè liÖu quan tr¾c toµn cÇu c¸c th«ng sè khÝ hËu tõ vò trô vµ nh÷ng m« h×nh tÝnh trªn m¸y tÝnh mµ nhê ®ã ta cã thÓ m« pháng hÖ thèng khÝ hËu toµn cÇu. Nh÷ng c«ng cô míi nµy cïng víi nh÷ng c¸i liªn quan ®Õn biÕn ®æi m«i tr−êng toµn cÇu vµ hËu qu¶ cña nã ®èi víi con ng−êi ®· thóc ®Èy m¹nh mÏ viÖc nghiªn cøu khÝ hËu. Nghiªn cøu hiÖn ®¹i hÖ thèng khÝ hËu tr¸i ®Êt trë thµnh mét khoa häc ®a ngµnh kÕt hîp chÆt chÏ khÝ quyÓn, ®¹i d−¬ng vµ bÒ mÆt ®Êt trong ®ã chóng t−¬ng t¸c víi nhau th«ng qua c¸c qu¸ tr×nh vËt lý, ho¸ häc vµ sinh häc. ViÖc xö lý mét c¸ch ®Çy ®ñ toµn bé hÖ thèng nµy hiÖn cßn ch−a thÓ thùc hiÖn ®−îc do viÖc hiÓu biÕt vÒ nã chØ míi b¾t ®Çu ph¸t triÓn. Cuèn s¸ch nµy giíi thiÖu nh÷ng t−¬ng t¸c vËt lý trong hÖ thèng khÝ hËu tõ quan ®iÓm toµn cÇu. §©y lµ vÊn ®Ò kh«ng dÔ v× cÇn ph¶i kÕt hîp nhiÒu m«n häc thuéc khoa häc tr¸i ®Êt l¹i víi nhau, nh− khÝ t−îng ®éng lùc, vËt lý biÓn, sù truyÒn bøc x¹, b¨ng hµ häc, thuû v¨n häc, khÝ t−îng líp biªn vµ cæ khÝ hËu. §Ó cho cuèn s¸ch bao qu¸t ®−îc c¸c chñ ®Ò phøc t¹p ®ã ®ßi hái nhiÒu sù lùa chän khã kh¨n. T«i ®· cè g¾ng cung cÊp ý nghÜa cña sù phøc t¹p vµ tÝnh chÊt g¾n kÕt víi nhau cña vÊn ®Ò khÝ hËu mµ kh«ng ®i qu¸ chi tiÕt vµo bÊt kú lÜnh vùc nµo. MÆc dï c¸ch tiÕp cËn hiÖn ®¹i trong nghiªn cøu khÝ hËu xuÊt ph¸t tõ nhiÒu lÜnh vùc kh¸c nhau, viÖc lùa chän g¾n kÕt c¸c kh¸i niÖm næi lªn vÊn ®Ò x¸c ®Þnh xuÊt ph¸t ®iÓm cho tõng ngµnh khoa häc riªng biÖt. Trong cuèn s¸ch nµy t«i cè g¾ng tr×nh bµy nh÷ng nguyªn lý vËt lý c¬ b¶n, b¾t ®Çu b»ng nh÷ng kiÕn thøc phô trî, ®Ó tõ ®ã liªn kÕt víi c¸c nguyªn lý c¬ b¶n cña ho¸ häc vµ sinh häc. Cuèn s¸ch nµy ®−îc dù ®Þnh dïng lµm gi¸o tr×nh chuyªn ®Ò vËt lý n©ng cao cho ®¹i häc vµ, nhÊt lµ c¸c ch−¬ng cuèi, sau ®¹i häc. T«i dïng 7 ch−¬ng ®Çu nh− lµ kiÕn thøc c¬ së cho kho¸ häc 10 tuÇn cña ch−¬ng tr×nh ®¹i häc thuéc chuyªn ®Ò c¸c khoa häc khÝ quyÓn. Ch−¬ng tr×nh sau ®¹i häc cÇn ph¶i ®−îc thay ®æi b»ng c¸ch bæ sung thªm nh÷ng kiÕn thøc lÊy tõ c¸c tµi liÖu tham kh¶o hiÖn cã. PhÇn lín c¸c gi¸o tr×nh khÝ hËu ®Òu cã tÝnh m« t¶ vµ ®−îc viÕt trªn quan ®iÓm cña c¸c nhµ ®Þa lý, nh−ng cuèn s¸ch nµy ®−îc viÕt theo quan ®iÓm cña mét nhµ vËt lý. T«i cè g¾ng tr×nh bµy mét c¸ch trùc gi¸c sù häat ®éng cña hÖ thèng khÝ hËu dùa trªn c¬ së nh÷ng nguyªn lý vËt lý. Khi ®øng tr−íc viÖc lùa chän gi÷a c¸ch tiÕp cËn ®¬n gi¶n, c¸ch xö lý chÝnh x¸c vµ c¸ch xö lý toµn diÖn ®èi víi mét kh¸i niÖm quan träng, t«i chän ph−¬ng ¸n ®¬n gi¶n. C¸ch tiÕp cËn nµy gióp sinh viªn tiÕp thu ®−îc nh÷ng ý t−ëng chÝnh kh«ng qu¸ khã kh¨n. Ng−êi d¹y cã thÓ chän ph−¬ng ¸n phøc t¹p khi tr×nh bµy nh÷ng vÊn ®Ò lý thó vµ kinh nghiÖm cña hä ®Ó lµm cho nã ®−îc hÊp dÉn h¬n. Cuèn s¸ch nµy kh«ng thÓ cã ®−îc nÕu kh«ng cã sù gióp ®ì cña rÊt nhiÒu ng−êi. Nã ®−îc ®óc rót qua 15 n¨m gi¶ng d¹y cho sinh viªn ®¹i häc vµ sau ®¹i häc, vµ t«i xin c¸m ¬n nh÷ng sinh viªn c¸c chuyªn ngµnh ATMS 321 vµ ATMS 571 cña tr−êng §¹i häc Tæng hîp Washington, nh÷ng ng−êi ph¶i tr¶i qua thö nghiÖm cña t«i vµ gãp ý cho b¶n th¶o ®Çu tiªn cña cuèn s¸ch nµy. Gi¸o s− Steve Esbensen vµ líp AtS 630 cña «ng ë §¹i häc Tæng hîp bang Oregon ®· gãp ý cho b¶n th¶o gÇn cuèi cïng cña c¸c ch−¬ng 1−7 vµo mïa xu©n n¨m 1993. Nh÷ng ý kiÕn ®ãng gãp vµ nh÷ng ®Ò xuÊt quÝ gi¸ cho tõng ch−¬ng riªng biÖt còng nhËn ®−îc tõ David S. Battisti, Robert J. Charlson, James R. Holton, Conway B. Leovy, Gary A. Maykut, Stephen G. Porter, Edward S. Sarachik, J. Michael Wallace, vµ Stephen G. Warren. Lêi khuyªn vµ sù cæ vò cña James R. Holton lµ hÕt søc quan träng ®Ó hoµn thµnh quyÓn s¸ch nµy. NhiÒu ng−êi ®· ®ãng gãp nh÷ng ®å thÞ, vµ ®Æc biÖt t«i rÊt biÕt ¬n v× nh÷ng cè g¾ng hÕt søc cña Otis Brown, Frank Carsey, Jim Coakley, Joey Comiso, Scott Katz, Gary Maykut, Pat McCormick, Robert Pincus, Norbert Untersteiner vµ Stephen Warren. Grace C. Gudmundson ®· ¸p dông nh÷ng kü n¨ng nghÒ nghiÖp biªn tËp cña bµ ®Ó hoµn thµnh c«ng tr×nh nµy víi mét sù kiªn tr×, hÕt m×nh vµ ®øc tÝnh tèt. Nh÷ng cè g¾ng cña bµ ®· lµm n©ng cao ®¸ng kÓ chÊt l−îng cña quyÓn s¸ch sau khi in. Còng nh− v©y, kü n¨ng m¸y tÝnh vµ nghÖ thuËt cña Kay M. Dewar ®· t¹o ra mét sè trong nhiÒu h×nh vÏ hÊp dÉn. BiÖt tµi cña Marc L. Michelsen víi m¸y tÝnh ®· trÝch sè liÖu tõ c¸c nguån l−u tr÷ sè hãa vµ chuyÓn ®æi chóng thµnh nh÷ng ®å thÞ trªn m¸y tÝnh chøa nhiÒu th«ng tin vµ cã søc quyÕn rò. Luanna Huynh vµ Christine Rice ®· gióp ®ì nhiÖt t×nh khi lµm c¸c phô lôc vµ b¶ng biÓu. Nh÷ng kÕt qu¶ cña sù cè g¾ng cña t«i ®Ó hiÓu hÖ thèng khÝ hËu ®· ®−îc hç trî mét c¸ch hµo phãng trong nhiÒu n¨m qua nh÷ng kho¶n trî cÊp vµ hîp ®ång nghiªn cøu cña chÝnh phñ Liªn bang. T«i ®Æc biÖt h©n h¹nh tá lßng biÕt ¬n sù hç trî cña Ch−¬ng tr×nh §éng lùc häc KhÝ hËu (the Climate Dynamics Program) trong Nhãm Khoa häc KhÝ quyÓn cña QuÜ Khoa häc Quèc gia (National Science Foundation), vµ c¸c Ch−¬ng tr×nh Thùc nghiÖm nguån bøc x¹ Tr¸i ®Êt vµ HÖ thèng quan tr¾c Tr¸i ®Êt cña C¬ quan Vò trô vµ Hµng kh«ng Quèc gia. T«i còng xin c¸m ¬n tÊt c¶ c¸c ®ång nghiÖp cña t«i, nh÷ng ng−êi mµ t«i ®· häc ®−îc tõ hä, nh÷ng ng−êi ®· chia sÎ c¸c ý t−ëng cña hä víi t«i, vµ nh÷ng ng−êi ®· cïng t«i tranh luËn nghiªm tóc. QuyÓn s¸ch nµy ®−îc dµnh tÆng cho gia ®×nh t«i, ®Æc biÖt lµ vî t«i, Lorraine, vµ c¸c con t«i, Alan vµ Jennifer, t×nh yªu vµ sù cèng hiÕn cña hä lµ cèt yÕu ®Ó quyÓn s¸ch ®−îc hoµn thµnh. T«i hy väng quyÓn s¸ch nµy sÏ gióp cho viÖc gi¶i thÝch t¹i sao t«i ®· ph¶i sö dông nhiÒu ®ªm vµ nhiÒu ngµy nghØ cuèi tuÇn trong qu¸ tr×nh nghiªn cøu cña t«i. T«i xin c¸m ¬n bè mÑ t«i, Alfred vµ Angeline, v× ®· t¹o cho t«i sù khëi ®Çu cuéc sèng tèt ®Ñp vµ hç trî t«i trong suèt qu¸ tr×nh lµm viÖc ®Çy h¹nh phóc cña t«i. D. L. Hartman 4 Ch−¬ng 1. Më ®Çu vÒ hÖ thèng khÝ hËu 1.1 KhÝ quyÓn, ®¹i d−¬ng vµ bÒ mÆt ®Êt KhÝ hËu lµ sù tæng hîp cña thêi tiÕt ë mét vïng nhÊt ®Þnh. Nã cã thÓ ®−îc x¸c ®Þnh mét c¸ch ®Þnh l−îng khi sö dông gi¸ trÞ c¸c yÕu tè khÝ t−îng t¹i mét ®Þa ph−¬ng vµo mét th¸ng hoÆc mét mïa nµo ®ã. Gi¸ trÞ trung b×nh cña c¸c yÕu tè khÝ t−îng cã thÓ ®−îc gäi lµ c¸c yÕu tè khÝ hËu vµ bao gåm nh÷ng biÕn nh− nhiÖt ®é, l−îng m−a, giã, khÝ ¸p, m©y vµ ®é Èm. Trong ®Þnh nghÜa khÝ hËu ta lu«n sö dông gi¸ trÞ cña nh÷ng yÕu tè nµy t¹i bÒ mÆt tr¸i ®Êt. Do ®ã ng−êi ta cã thÓ ®Æc t¶ khÝ hËu bëi gi¸ trÞ trung b×nh n¨m cña l−îng m−a lµ 36 inch vµ nhiÖt ®é trung b×nh n¨m lµ 52oF. Tuy nhiªn, ng−êi ta còng cÇn mét l−îng th«ng tin lín h¬n nh÷ng gi¸ trÞ trung b×nh n¨m ®ã. VÝ dô, ng−êi n«ng d©n còng cã thÓ muèn biÕt m−a ph©n bè nh− thÕ nµo trong n¨m, l−îng m−a lín ra sao trong nh÷ng th¸ng mïa hÌ. Ng−êi kü s− thuû ®iÖn cÇn biÕt sù biÕn ®æi cña l−îng m−a vµ nguån tuyÕt dù tr÷ trong n¨m lín ®Õn møc nµo. Ng−êi x©y dùng nhµ ë cÇn biÕt nh÷ng th«ng sè cÇn thiÕt ®Ó l¾p ®Æt c¸c hÖ thèng s−ëi Êm hoÆc lµm m¸t phï hîp víi thêi tiÕt trong vïng. TÇm quan träng cña khÝ hËu lín nh− vËy nh−ng ®«i khi ta kh«ng chó ý tíi nã. NÕu khÝ hËu kh«ng ph¶i nh− nã ®· cã th× sù sèng vµ nÒn v¨n minh trªn hµnh tinh nµy sÏ kh«ng ph¸t triÓn nh− hiÖn nay. Sù ph©n bè cña thùc vËt vµ c¸c d¹ng ®Êt ®ai trªn mÆt ®Êt chñ yÕu ®−îc x¸c ®Þnh bëi khÝ hËu ®Þa ph−¬ng. KhÝ hËu t¸c ®éng ®Õn ®êi sèng loµi ng−êi qua nhiÒu con ®−êng; vÝ dô khÝ hËu lµm ¶nh h−ëng ®Õn kiÓu quÇn ¸o vµ nhµ cöa. Trong thÕ giíi hiÖn ®¹i, víi nh÷ng tiÕn bé kü thuËt m¹nh mÏ trong thÕ kû nµy, ng−êi ta cho r»ng khÝ hËu h×nh thµnh kh«ng sím h¬n lÞch sö loµi ng−êi. Tr¸i l¹i, râ rµng r»ng hiÖn nay ta ®ang chÞu ¶nh h−ëng cña sù dao ®éng vµ biÕn ®æi khÝ hËu lín ch−a tõng thÊy. V× c¸c hÖ thèng cung cÊp l−¬ng thùc, n−íc, n¨ng l−îng ®ang gÆp ph¶i nh÷ng khã kh¨n vÒ nhu cÇu vµ ®−îc tèi −u ho¸ ®èi víi ®iÒu kiÖn khÝ hËu trung b×nh hiÖn nay, nh÷ng dao ®éng hoÆc xu thÕ biÕn ®æi trong khÝ hËu cã thÓ lµ nguyªn nh©n cña nh÷ng khã kh¨n nghiªm träng ®èi víi loµi ng−êi. H¬n n÷a, v× d©n sè c¸c n−íc ph¸t triÓn tiªu thô phÇn lín s¶n phÈm n«ng nghiÖp trªn thÕ giíi, sè ng−êi gÇn nh− ®ang sèng bªn bê vùc th¼m cña sù nghÌo ®ãi trong nh÷ng thêi kú khÝ hËu bÊt th−êng lín ch−a tõng thÊy. Cïng víi nh÷ng dao ®éng tù nhiªn tõ n¨m nµy qua n¨m kh¸c cña thêi tiÕt cã t¸c ®éng quan träng ®Õn khÝ hËu, ta còng ph¶i chÞu tr¸ch nhiÖm vÒ nh÷ng ¶nh h−ëng cña c¸c ho¹t ®éng cña con ng−êi trong viÖc g©y ra nh÷ng xu thÕ 5 biÕn ®æi dµi n¨m cña khÝ hËu. Râ rµng hiÖn nay con ng−êi ®ang t¸c ®éng ®Õn khÝ hËu ®Þa ph−¬ng vµ ¶nh h−ëng cña chóng ta ®Õn khÝ hËu toµn cÇu sÏ t¨ng lªn trong t−¬ng lai. Nh÷ng ho¹t ®éng cña loµi ng−êi cã thÓ ¶nh h−ëng ®Õn khÝ hËu toµn cÇu bao gåm sù lµm biÕn ®æi bÒ mÆt tù nhiªn cña tr¸i ®Êt vµ lµm biÕn ®æi thµnh phÇn cña khÝ quyÓn tr¸i ®Êt. KhÝ hËu tr¸i ®Êt biÕn ®æi tõ sù nãng bøc ë nh÷ng vïng nhiÖt ®íi ®Õn sù l¹nh gi¸ ë nh÷ng vïng cùc vµ tõ sù kh« h¹n ë sa m¹c ®Õn sù Èm −ít ë vïng rõng nhiÖt ®íi. Tuy nhiªn, khÝ hËu tr¸i ®Êt cÇn cho cuéc sèng vµ nh÷ng sinh vËt sèng vÉn tån t¹i trong mäi sù cùc ®oan cña khÝ hËu. KhÝ hËu cña mét vïng phô thuéc vµo vÜ ®é, ®é cao trªn mÆt biÓn vµ h−íng vùc n−íc, h−íng nói vµ h−íng giã thÞnh hµnh. Trong cuèn s¸ch nµy ta sÏ quan t©m chñ yÕu ®Õn khÝ hËu toµn cÇu vµ sù biÕn ®æi ®Þa lý cña nã trªn c¸c qui m« tõ hµng tr¨m ®Õn hµng ngh×n km. §Ó tËp trung vµo nh÷ng vÊn ®Ò nµy, sù biÕn ®æi khÝ hËu trªn c¸c qui m« kh«ng gian ngang nhá h¬n vµi chôc km chØ ®−îc ®Ò cËp ®Õn mét Ýt. KhÝ hËu tr¸i ®Êt ®−îc x¸c ®Þnh bëi nh÷ng yÕu tè thêi tiÕt ®o ®−îc. Nh÷ng yÕu tè thêi tiÕt ®−îc quan t©m tr−íc hÕt lµ nhiÖt ®é vµ m−a. Hai nh©n tè nµy cïng quyÕt ®Þnh sù ph©n bè c¸c loµi thùc vËt vµ ®éng vËt vµ sù ph¸t triÓn cña chóng ë mét ®Þa ph−¬ng nhÊt ®Þnh. TÊt nhiªn nh÷ng yÕu tè kh¸c còng quan träng. §é Èm, l−îng h¬i n−íc trong kh«ng khÝ, lµ nh©n tè tiªu chuÈn cña khÝ hËu cã liªn quan chÆt chÏ víi nhiÖt ®é vµ m−a. Sù ng−ng kÕt n−íc trong khÝ quyÓn t¹o ra nh÷ng mµn m©y gåm c¸c giät n−íc hoÆc tinh thÓ b¨ng, lµm biÕn ®æi ®¸ng kÓ c¸c tÝnh chÊt bøc x¹ cña khÝ quyÓn. M©y ¶nh h−ëng ®Õn l−îng bøc x¹ mÆt trêi tíi mÆt ®Êt vµ sù truyÒn ph¸t x¹ mÆt ®Êt tíi khÝ quyÓn. M©y cã tÇm quan träng ®èi víi hµng kh«ng vµ nh÷ng ho¹t ®éng kh¸c, m©y còng ®ãng vai trß x¸c ®Þnh m−a vµ nhiÖt ®é bÒ mÆt. Tèc ®é vµ h−íng giã trung b×nh lµ nh÷ng biÕn quan träng cÇn xem xÐt ®èi víi khÝ hËu ®Þa ph−¬ng, sù khuÕch t¸n lan truyÒn chÊt « nhiÔm khÝ quyÓn, hµng kh«ng, hµng h¶i, n¨ng l−¬ng giã vµ nhiÒu môc ®Ých kh¸c. HÖ thèng khÝ hËu tr¸i ®Êt x¸c ®Þnh sù ph©n bè n¨ng l−îng vµ n−íc gÇn mÆt ®Êt vµ chñ yÕu gåm khÝ quyÓn, ®¹i d−¬ng vµ mÆt ®Êt. Nghiªn cøu hÖ thèng toµn cÇu lµ môc ®Ých cña cuèn s¸ch nµy (h×nh 1.1). 1.2 NhiÖt ®é khÝ quyÓn NhiÖt ®é lµ biÕn khÝ hËu quan träng nhÊt. NhiÖt ®é trung b×nh toµn cÇu t¹i bÒ mÆt ®Êt lµ 288oK, hay 15oC hoÆc 59oF. Ph¹m vi biÕn thiªn cña nhiÖt ®é bÒ mÆt lµ thÝch hîp ®èi víi sù sèng tån t¹i vµ ph¸t triÓn trªn tr¸i ®Êt. C¸c cùc trÞ quan tr¾c ®−îc cña ph¹m vi biÕn thiªn nhiÖt ®é bÒ mÆt lµ l¹nh nhÊt b»ng −89oC (−128,6oF) ë Vostok, Nam Cùc ®Õn nhiÖt ®é nãng nhÊt 58oC (136.4oF) ë Al Aziziyah, Libya. Nh÷ng cùc trÞ nhiÖt ®é nµy ph¶n ¸nh sù gi¶m nhiÖt ®é tõ vïng nhiÖt ®íi, nãng, ®Õn c¸c vïng cùc l¹nh h¬n rÊt nhiÒu. NhiÖt ®é thÊp t¹i Vostok lµ do t¸c ®éng cña c¶ vÜ ®é vµ ®é cao trªn mÆt biÓn lín (cao 3450m trªn mùc n−íc biÓn). 6 H×nh 1.1 Toµn c¶nh tr¸i ®Êt tõ vò trô (Apollo Saturn, AS10, NASA, 18−26 th¸ng 5 n¨m 1969) §Æc ®iÓm quan träng cña ph©n bè nhiÖt ®é lµ sù gi¶m nhiÖt ®é theo ®é cao tÝnh tõ mÆt ®Êt vµ ®¹t gi¸ trÞ thÊp nhÊt ë kho¶ng 10−15 km (h×nh 1.2). Tèc ®é suy gi¶m ®−îc gäi lµ tû lÖ gi¶m nhiÖt ®é (hay gradient th¼ng ®øng cña nhiÖt ®é − ND) vµ ®−îc x¸c ®Þnh bëi Γ=− ∂ T ∂z (1.1) trong ®ã T lµ nhiÖt ®é vµ z lµ ®é cao trªn mùc biÓn. Tû lÖ gi¶m nhiÖt ®é trung b×nh toµn cÇu trong tÇng ®èi l−u vµo kho¶ng 6,5oK/km, nh−ng tû lÖ gi¶m nµy biÕn ®æi theo ®é cao, theo mïa vµ vÜ ®é. Trong tÇng b×nh l−u trªn, nhiÖt ®é t¨ng theo ®é cao cho ®Õn kho¶ng 50 km. Sù t¨ng nhiÖt ®é theo ®é cao lµ mét ®Æc ®iÓm cña tÇng b×nh l−u, g©y nªn do sù hÊp thô bøc x¹ mÆt trêi bëi ozone. PhÝa trªn tÇng b×nh l−u, t¹i kho¶ng 50 km, nhiÖt ®é b¾t ®Çu gi¶m theo ®é cao trong tÇng trung quyÓn. NhiÖt ®é khÝ quyÓn t¨ng nhanh ë kho¶ng trªn 100 km v× sù ®èt nãng do hÊp thô bøc x¹ cùc tÝm tõ mÆt trêi lµm ph©n ly c¸c ph©n tö oxy, nit¬ vµ c¸c ion khÝ quyÓn trong tÇng nhiÖt quyÓn. Sù gi¶m nhiÖt ®é theo ®é cao ë tÇng ®èi l−u lµ yÕu tè quyÕt ®Þnh ®Õn nhiÒu c¬ chÕ, nhê ®ã sù Êm ¸p cña bÒ mÆt tr¸i ®Êt ®−îc duy tr×. Gradient th¼ng ®øng cña nhiÖt ®é trong tÇng ®èi l−u vµ c¸c c¬ chÕ duy tr× nã còng lµ nh©n tè chÝnh trong viÖc x¸c ®Þnh ®é nh¹y khÝ hËu, nh− sÏ ®−îc th¶o luËn trong ch−¬ng 9. Gradient th¼ng ®øng cña nhiÖt ®é trong tÇng ®èi l−u ®−îc x¸c ®Þnh chñ yÕu bëi sù c©n b»ng gi÷a lµm l¹nh bøc x¹ vµ ®èi l−u nhiÖt tõ bÒ mÆt. Ph©n bè th¼ng ®øng cña nhiÖt ®é 7 biÕn ®æi theo vÜ ®é vµ mïa. ë xÝch ®¹o nhiÖt ®é gi¶m theo ®é cao ®Õn kho¶ng 17 km trªn mùc biÓn (h×nh 1.3). Trung b×nh n¨m, ®Ønh tÇng ®èi l−u miÒn nhiÖt ®íi lµ phÇn l¹nh nhÊt trong líp khÝ quyÓn 20 km d−íi cïng. ë c¸c vÜ ®é trung b×nh vµ vÜ ®é cao nhiÖt ®é cña phÇn d−íi tÇng b×nh l−u hÇu nh− kh«ng phô thuéc vµo ®é cao. Gradient th¼ng ®øng cña nhiÖt ®é trong tÇng ®èi l−u ë c¸c vÜ ®é cùc nhá h¬n ë vïng gÇn xÝch ®¹o. VÒ mïa ®«ng vµ mïa xu©n ë nh÷ng vÜ ®é cao nhiÖt ®é phÇn d−íi tÇng ®èi l−u trªn thùc tÕ t¨ng theo ®é cao trªn mùc biÓn (h×nh 1.4). Vïng cã gradient th¼ng ®øng cña nhiÖt ®é ©m ®−îc gäi lµ nghÞch nhiÖt. NghÞch nhiÖt ë cùc cã t¸c ®éng quan träng ®èi víi khÝ hËu ë c¸c vïng cùc. Nã xuÊt hiÖn v× mÆt ®Êt l¹nh ®i rÊt m¹nh th«ng qua ph¸t x¹ bøc x¹ hång ngo¹i khi kh«ng cã sù chiÕu n¾ng mÆt ®Êt trong nh÷ng ®ªm ®«ng b¾c cùc. Trong khi ®ã kh«ng khÝ ph¸t x¹ kh«ng m¹nh nh− mÆt ®Êt vµ nhiÖt ®−îc truyÒn vÒ phÝa cùc trong khÝ quyÓn gi÷ cho kh«ng khÝ ë phÇn d−íi tÇng ®èi l−u Êm h¬n mÆt ®Êt. H×nh 1.2 C¸c tÇng chÝnh cña khÝ quyÓn x¸c ®Þnh theo profile nhiÖt ®é th¼ng ®øng t¹i 150N ®èi víi ®iÒu kiÖn trung b×nh n¨m (Sè liÖu tõ US Standard Atmosphere Supplements,1966) H×nh 1.3 Profile nhiÖt ®é trung b×nh n¨m trong líp khÝ quyÓn 20km d−íi cïng ë 3 d¶i vÜ ®é (Sè liÖu tõ Oort, 1983) 8 H×nh 1.4 BiÕn ®éng mïa cña profile nhiÖt ®é t¹i 75oN (Sè liÖu tõ Oort, 1983) NhiÖt ®é bÒ mÆt lín nhÊt ë gÇn xÝch ®¹o, nã v−ît qu¸ 26oC trªn mét d¶i réng nhiÒu vÜ ®é (h×nh 1.5). Ngoµi vµnh ®ai nµy nhiÖt ®é bÒ mÆt gi¶m ®Òu vÒ phÝa hai cùc. ë B¾c b¸n cÇu ta thÊy nhiÖt ®é biÕn ®æi theo mïa rÊt m¹nh. NhiÖt ®é thÊp nhÊt ë c¸c vïng cùc xuÊt hiÖn vµo th¸ng 2, thÊp h¬n kho¶ng 26oC so víi nhiÖt ®é th¸ng 7. Biªn ®é mïa cña nhiÖt ®é gi¶m tõ b¾c cùc vÒ phÝa xÝch ®¹o, n¬i nhiÖt ®é trung b×nh vÜ h−íng kho¶ng 27oC. ë nam b¸n cÇu chu kú mïa cña nhiÖt ®é nhá h¬n nhiÒu so víi B¾c b¸n cÇu. T−¬ng ph¶n lín nhÊt gi÷a c¸c chu kú mïa cña nhiÖt ®é ë hai b¸n cÇu xuÊt hiÖn ë vµnh ®ai vÜ ®é gi÷a 45−60 ®é. BiÕn ®æi mïa cña nhiÖt ®é kh«ng khÝ ë c¸c vÜ ®é trung b×nh cña Nam b¸n cÇu nhá h¬n liªn quan víi tû lÖ líp phñ bÒ mÆt lµ ®¹i d−¬ng ë ®©y lín h¬n. §¹i d−¬ng tÝch tr÷ nhiÖt rÊt hiÖu qu¶. VÒ mïa hÌ nã tÝch tr÷ nhiÖt do mÆt trêi cung cÊp. V× ®Ó t¨ng nhiÖt ®é bÒ mÆt biÓn ®¹i d−¬ng cÇn ph¶i cã mét l−îng nhiÖt lín trong khi sù chiÕu n¾ng mïa hÌ chØ lµm t¨ng nhiÖt ®é bÒ mÆt mét l−îng nhá. VÒ mïa ®«ng mét l−îng nhiÖt lín ®−îc gi¶i phãng cho khÝ quyÓn víi sù biÕn ®æi t−¬ng ®èi nhá trong nhiÖt ®é mÆt biÓn. MÆt ®Êt ®−îc ®èt nãng vµ l¹nh ®i nhanh h¬n rÊt nhiÒu so víi ®¹i d−¬ng. Sù ph©n bè ®Þa lý cña nhiÖt ®é bÒ mÆt th¸ng 1 vµ th¸ng 7 ®−îc chØ ra trªn h×nh 1.6. PhÇn s©u trong lôc ®Þa b¾c b¸n cÇu trë nªn rÊt l¹nh vÒ mïa ®«ng, nh−ng vÒ mïa hÌ chóng nãng h¬n so víi nh÷ng vïng ®¹i d−¬ng ë cïng vÜ ®é. BiÕn ®æi mïa cña nhiÖt ®é bÒ mÆt ë s©u trong vïng B¾c Mü vµ Ch©u ¸ rÊt lín (h×nh 1.7). BiÕn ®æi mïa ë Nam b¸n cÇu nhá h¬n nhiÒu v× bÒ mÆt ë ®©y ®−îc phñ phÇn lín bëi ®¹i d−¬ng. 1.3 Thµnh phÇn khÝ quyÓn Thµnh phÇn khÝ quyÓn lµ yÕu tè quyÕt ®Þnh c¬ b¶n cña khÝ hËu tr¸i ®Êt. Sù t−¬ng t¸c gi÷a c¸c chÊt khÝ trong khÝ quyÓn víi n¨ng l−îng bøc x¹ ®iÒu biÕn dßng n¨ng l−îng th«ng qua hÖ thèng khÝ hËu. KhÝ quyÓn cã khèi l−îng kho¶ng 5,14 × 1018 kg, nhá h¬n so víi khèi l−îng cña ®¹i d−¬ng lµ 1,39 × 1021 kg vµ khèi l−îng cña 9 tr¸i ®Êt (thuÇn) lµ 5,98 × 1024 kg. Kh«ng khÝ kh« bao gåm hÇu hÕt c¸c ph©n tö nit¬ (78%) vµ ph©n tö oxy (21%). PhÇn cßn l¹i trong khÝ quyÓn lµ c¸c khÝ argon (1%) vµ khÝ tr¬. Kho¶ng d−íi 1% khèi l−îng khÝ quyÓn lµ c¸c khÝ cã vai trß quan träng ®èi víi sù hÊp thô vµ ph¸t x¹ n¨ng l−îng bøc x¹. Nh÷ng khÝ nµy bao gåm h¬i n−íc (3,3 × 10−3 tæng khèi l−îng khÝ quyÓn), carbon dioxide (5,3× 10−7) vµ ozone (6,42 × 10−7), tiÕp ®Õn cßn cã methane, oxit nit¬ vµ nh÷ng khÝ kh¸c (b¶ng 1.1). H×nh 1.5 Sù phô thuéc cña nhiÖt ®é kh«ng khÝ gÇn bÒ mÆt vµo vÜ ®é th¸ng 1, th¸ng 7 vµ trung b×nh n¨m (Sè liÖu tõ Oort, 1983) H×nh 1.6 B¶n ®å nhiÖt ®é bÒ mÆt toµn cÇu a) th¸ng 1 vµ b) th¸ng 7. (Sè liÖu tõ Shea, 1986, t¸i t¹o l¹i víi sù cho phÐp cña NCAR − National Center for Atmospheric Research) 10 B¶ng 1.1 Thµnh phÇn cña khÝ quyÓn Thµnh phÇn C«ng thøc ho¸ häc Träng l−îng Tû lÖ thÓ tÝch (%) Tæng khèi l−îng ph©n tö trong kh«ng khÝ (g) (12C=12) kh« 5,136x1021 Toµn bé khÝ quyÓn Kh«ng khÝ kh« 100,0% 5,ll9x1021 Nit¬ N2 78,08 % 3,87 x1021 Oxy 02 20,95% 1,185 x1021 Argon Ar 0,934% 6,59 xl019 H¬i n−íc H2 0 BiÕn ®æi 1,7 x1019 KhÝ Carbon dioxide CO2 353 ppmva −2,76 x18 Neon Ne 18,18 ppmv 6,48 xl016 Kripton Kr 1,14 ppmv 1,69x1016 Hªli He 5,24 ppmv 3,71 x1015 Metan CH4 1,72 ppmva −4,9x1015 Xenon Xe 87ppbv 2,02xl015 Ozone 03 BiÕn ®æi −3,3 xl015 Oxide Kali N2O 310 pphva −2,3 xl015 Oxide Carbon CO 120 ppbv −5,9 x1014 Hydro H2 500ppbv −1,8x1014 Amoniac NH3 100 ppbv −3,0 x1013 Dioxide Nit¬ NO2 I pphv −8,1 x1012 Sulfur dioxide SO2 200 pptv −2,3 x1012 Sulfide Hydro H2S 200 pptv −1,2 x1012 CFC− 12 CCI2F2 480 pptva −l,0x1012 CFC− 11 CCI3F 280 pptva −6,8 x1012 Sè liÖu lÊy tõ Evolution of the Atmosphere cña J. C. G. Walker, Macmillan PublÝhing Company,1977; Verniani, American Geophysical Union, 1966; vµ Williamson (1973). a − − C¸c gi¸ trÞ t×m thÊy hîp lÖ vµo n¨m 1960 (ppmv = 10 6, ppbv = 10 9, pptv = 10 −12 ) (ppmv, ppbv, pptv = parts per million, billion, trillion by volume) 1.4 C©n b»ng thuû tÜnh KhÝ quyÓn lµ líp khÝ bao bäc kÝn bÒ mÆt tr¸i ®Êt nhê träng lùc. Lùc th¼ng ®øng t¸c ®éng lªn khÝ quyÓn lµ träng lùc kÐo c¸c ph©n tö khÝ h−íng vÒ t©m tr¸i ®Êt, cßn 11 lùc khÝ ¸p cã xu thÕ ®Èy khÝ quyÓn ra ngoµi kh«ng gian vò trô. C¸c lùc nµy n»m trong tr¹ng th¸i gÇn nh− c©n b»ng. Sù c©n b»ng gi÷a lùc gradient khÝ ¸p vµ träng lùc ®−îc gäi lµ c©n b»ng thuû tÜnh. V× lùc lµ tÝch khèi l−îng víi gia tèc nªn ta cã thÓ biÓu diÔn c©n b»ng lùc th¼ng ®øng trªn mét ®¬n vÞ khèi l−îng nh− lµ ph−¬ng tr×nh gi÷a gia tèc träng tr−êng g h−íng xuèng d−íi vµ gia tèc h−íng lªn trªn g©y nªn bëi sù t¨ng dÇn cña ¸p suÊt h−íng vÒ phÝa mÆt ®Êt nÕu kh«ng cã träng lùc chèng l¹i nã. g=− 1 dp ρ dz (1.2) H×nh 1.7 B¶n ®å biªn ®é biÕn tr×nh n¨m cña nhiÖt ®é bÒ mÆt. (Sè liÖu tõ Shea, 1986, t¸i t¹o l¹i víi sù cho phÐp cña NCAR − National Center for Atmospheric Research) §èi víi khÝ lý t−ëng, khÝ ¸p (p), mËt ®é (ρ) vµ nhiÖt ®é (T) liªn hÖ víi nhau bëi c«ng thøc p = ρRT (1.3) trong ®ã R lµ h»ng sè chÊt khÝ. Sau mét vµi phÐp biÕn ®æi, tõ (1.2) vµ (1.3) suy ra dp dz =− p H trong ®ã H= RT = qui m« ®é cao g (1.4) (1.5) NÕu khÝ quyÓn lµ ®¼ng nhiÖt th× nhiÖt ®é vµ qui m« ®é cao lµ kh«ng ®æi vµ ph−¬ng tr×nh thuû tÜnh cã thÓ ®−îc tÝch ph©n tõ bÒ mÆt, ë ®ã p = ps = 1,01325 ×105 Pa, ®Õn ®é cao z tuú ý, ta nhËn ®−îc biÓu thøc cho ph©n bè khÝ ¸p theo ®é cao. p = p s. e −z / H (1.6) Nh− vËy, víi mçi qui m« ®é cao, khÝ ¸p gi¶m theo ®é cao theo qui luËt hµm mò tõ mÆt ®Êt víi hÖ sè suy gi¶m e=2,71828. Qui m« ®é cao ®èi víi nhiÖt ®é trung b×nh cña khÝ quyÓn tr¸i ®Êt vµo kho¶ng 7,6 km. H×nh 1.8 chØ ra sù ph©n bè cña ¸p suÊt khÝ quyÓn theo ®é cao trªn mùc biÓn. KhÝ ¸p lín nhÊt t¹i mÆt ®Êt vµ gi¶m nhanh theo ®é cao phï hîp víi (1.6). Ta cã thÓ biÓu diÔn l¹i (1.2): 12 dm = ρdz = − dp g (1.7) Khèi l−îng dm gi÷a hai ®é cao, dm, cã liªn hÖ víi sù biÕn ®æi khÝ ¸p gi÷a hai mùc nµy. Do c©n b»ng thuû tÜnh, tæng khèi l−îng cña khÝ quyÓn cã thÓ liªn hÖ víi ¸p suÊt bÒ mÆt trung b×nh toµn cÇu: Khèi l−îng khÝ quyÓn = ps = 1,03 × 10 4 kg / m 2 = 1,03 × 104 kg/m2 g (1.8) Cét th¼ng ®øng phÝa trªn mçi mÐt vu«ng (m2) bÒ mÆt ®Êt chøa kho¶ng 10.000 kg kh«ng khÝ. H×nh 1.8 Ph©n bè th¼ng ®øng cña ¸p suÊt khÝ quyÓn vµ ¸p suÊt riªng cña h¬i n−íc nh− lµ hµm cña vÜ ®é trong ®iÒu kiÖn trung b×nh toµn cÇu vµ trung b×nh n¨m. C¸c gi¸ trÞ ®∙ ®−îc chuÈn ho¸ b»ng c¸ch chia cho gi¸ trÞ t¹i bÒ mÆt t−¬ng øng lµ 1013,25 vµ 17,5 mb V× khÝ hËu bÒ mÆt ®Êt lµ mèi quan t©m c¬ b¶n vµ v× khèi l−îng khÝ quyÓn chØ tËp trung bªn trong mét vµi qui m« ®é cao hay vµi chôc km tÝnh tõ bÒ mÆt, nªn líp khÝ quyÓn tÇng thÊp lµ quan träng nhÊt ®èi víi khÝ hËu. V× lý do ®ã, phÇn lín cña quyÓn s¸ch nµy sÏ dµnh cho c¸c qu¸ tr×nh x¶y ra trong tÇng ®èi l−u, t¹i bÒ mÆt, hoÆc trªn ®¹i d−¬ng. Tuy nhiªn, tÇng b×nh l−u còng cã mét sè hiÖu øng quan träng ®Õn khÝ hËu vµ chóng sÏ ®−îc m« t¶ ë nh÷ng n¬i thÝch hîp. 1.5 §é Èm khÝ quyÓn §é Èm khÝ quyÓn ®Æc tr−ng cho l−îng h¬i n−íc chøa trong kh«ng khÝ. KhÝ quyÓn nhËn n−íc bèc h¬i tõ mÆt ®Êt vµ cung cÊp n−íc l¹i cho mÆt ®Êt b»ng n−íc m−a. N−íc ch¶y tõ ®Êt liÒn ra biÓn qua c¸c con s«ng ®−îc mang trë l¹i ®Êt liÒn nhê qu¸ tr×nh vËn chuyÓn h¬i n−íc trong khÝ quyÓn. H¬i n−íc lµ mét trong nh÷ng khÝ nhµ kÝnh quan träng nhÊt trong khÝ quyÓn. H¬i n−íc ng−ng tô t¹o thµnh m©y cã thÓ cho m−a. H¬i n−íc cßn ®ãng vai trß hÕt søc quan träng trong viÖc ph¶n x¹ bøc x¹ mÆt trêi vµ lµm gi¶m ph¸t x¹ bøc x¹ hång ngo¹i cña tr¸i ®Êt. Tû sè x¸o trén khèi l−îng cña h¬i n−íc trong khÝ quyÓn gi¶m rÊt nhanh theo ®é cao (h×nh 1.9). V× phÇn lín khèi l−îng khÝ quyÓn n»m trong líp kho¶ng 5 km tÝnh 13 tõ mÆt ®Êt nªn mét ®iÒu râ rµng lµ hÇu hÕt h¬i n−íc khÝ quyÓn chØ n»m trong líp vµi km d−íi cïng. Søc tr−¬ng h¬i n−íc gi¶m xuèng mét nöa so víi gi¸ trÞ cña nã t¹i bÒ mÆt khi lªn cao 2 km vµ gi¶m xuèng d−íi 10% gi¸ trÞ cña nã t¹i bÒ mÆt khi lªn ®Õn 5 km (h×nh 1.8). H¬i n−íc khÝ quyÓn còng gi¶m nhanh theo vÜ ®é. L−îng h¬i n−íc trong khÝ quyÓn ë xÝch ®¹o lín xÊp xØ 10 lÇn so víi c¸c cùc. Sù gi¶m nhanh khi lªn cao vµ khi ®i vÒ phÝa hai cùc cña h¬i n−íc d− thõa trong khÝ quyÓn cã liªn quan víi sù phô thuéc m¹nh mÏ vµo nhiÖt ®é cña ¸p suÊt h¬i n−íc b·o hoµ. Kh«ng khÝ Êm h¬n cã thÓ chøa mét tû lÖ h¬i n−íc lín h¬n. 1.6 §¹i d−¬ng thÕ giíi KhÝ quyÓn chøa mét phÇn n−íc rÊt nhá so víi tæng l−îng n−íc cña hÖ thèng khÝ hËu – chØ kho¶ng 1 phÇn 105. HÇu hÕt n−íc trªn bÒ mÆt tr¸i ®Êt chøa trong c¸c ®¹i d−¬ng vµ c¸c t¶ng b¨ng (b¶ng 1.2). Tr¸i ®Êt chøa kho¶ng 1,35×109 km3 n−íc, trong ®ã kho¶ng 97% lµ n−íc biÓn. V× tÊt c¶ c¸c ®¹i d−¬ng hÇu nh− liªn th«ng víi nhau nªn cã thÓ cho r»ng chóng tËp hîp l¹i nh− mét ®¹i d−¬ng thÕ giíi. §¹i d−¬ng thÕ giíi lµ yÕu tè c¬ b¶n cña hÖ thèng khÝ hËu vËt lý. §¹i d−¬ng bao phñ kho¶ng 71% bÒ mÆt tr¸i ®Êt cho ®Õn ®é s©u trung b×nh 3729 m. §¹i d−¬ng cã kh¶ n¨ng dù tr÷ vµ gi¶i phãng nhiÖt v« cïng lín, trªn c¸c qui m« thêi gian tõ mïa ®Õn hµng thÕ kû. Kho¶ng mét nöa n¨ng l−îng vËn chuyÓn tõ xÝch ®¹o vÒ c¸c cùc ®Ó s−ëi Êm c¸c cùc vµ lµm m¸t vïng xÝch ®¹o lµ do ®¹i d−¬ng thùc hiÖn. §¹i d−¬ng thÕ giíi lµ kho dù tr÷ n−íc ®Ó cung cÊp h¬i n−íc cho khÝ quyÓn t¹o m−a vµ tuyÕt r¬i trªn lôc ®Þa. §¹i d−¬ng ®ãng vai trß c¬ b¶n trong viÖc x¸c ®Þnh thµnh phÇn khÝ quyÓn th«ng qua sù trao ®æi khÝ vµ c¸c h¹t bôi qua mÆt ®Êt ph©n c¸ch ®¹i d−¬ng − khÝ quyÓn. §¹i d−¬ng ph©n huû carbon dioxide trong khÝ quyÓn vµ t¹o ra ph©n tö oxy. §¹i d−¬ng cßn tham gia vµo c¸c chu tr×nh ho¸ häc quan träng kh¸c lµm ®iÒu hoµ m«i tr−êng bÒ mÆt tr¸i ®Êt. H×nh 1.9 §é Èm riªng hay tû sè hçn hîp khèi l−îng cña h¬i n−íc trung b×nh n¨m t¹i c¸c d¶i vÜ ®é NhiÖt ®é trong ®¹i d−¬ng nãi chung gi¶m theo ®é s©u tõ nhiÖt ®é gÇn b»ng nhiÖt ®é kh«ng khÝ bÒ mÆt ®Õn gi¸ trÞ gÇn ®iÓm b¨ng cña n−íc ë d−íi s©u (h×nh 1.10). Líp x¸o trén máng trªn mÆt ®Êt bÞ khuÊy ®éng do giã vµ sãng lµm cho nhiÖt 14 ®é vµ ®é muèi cña líp nµy hÇu nh− kh«ng phô thuéc vµo ®é s©u. Sù biÕn ®æi nhiÖt ®é lín nhÊt xuÊt hiÖn trong líp nªm nhiÖt (thermocline − tµ nhiÖt). PhÝa d−íi líp nªm nhiÖt lµ líp ®é s©u hÇu nh− ®ång nhÊt nhiÖt ®é. B¶ng 1.2 N−íc trªn tr¸i ®Êt Nguån n−íc §é dµy líp n−íc nÕu ®−îc tr¶i ra PhÇn tr¨m so víi toµn bé trªn toµn bé mÆt ®Êt tr¸i ®Êt (m) C¸c ®¹i d−¬ng 2650 97 B¨ng nói vµ b¨ng s«ng 60 2,20 N−íc ngÇm 20 0,70 S«ng, hå 0,35 0,013 L−îng Èm trong ®Êt 0,12 0,013 KhÝ quyÓn 0,025 0,0009 Tæng céng 2730 100 H×nh 1.10 Profile nhiÖt ®é ®¹i d−¬ng trung b×nh n¨m ®èi víi c¸c vÜ ®é kh¸c nhau. (Sè liÖu tõ Levitus, 1982) §é muèi cña n−íc biÓn ®−îc ®Þnh nghÜa nh− lµ sè gam muèi hoµ tan trong mét kg n−íc biÓn. §é muèi ë nh÷ng biÓn hë dao ®éng trong kho¶ng 33−38 g/kg. Trong n−íc biÓn nÕu ®é muèi b»ng 35 th× cã kho¶ng 30 g/kg ®−îc t¹o thµnh tõ Natri vµ Clorua (b¶ng 1.3). §é muèi gãp phÇn quan träng ®èi víi sù biÕn ®æi cña mËt ®é n−íc biÓn ë mäi vÜ ®é vµ lµ nh©n tè quan träng nhÊt ë c¸c vÜ ®é cao, n¬i nhiÖt ®é gÇn víi ®iÓm b¨ng cña n−íc. Sù biÕn ®æi cña mËt ®é n−íc biÓn sÏ ®iÒu khiÓn hoµn l−u biÓn vËn chuyÓn nhiÖt d−íi s©u vµ ®iÒu khiÓn vßng tuÇn hoµn khÐp kÝn c¸c chÊt dinh d−ìng cÇn thiÕt cho sù sèng d−íi biÓn. §é muèi ë c¸c líp trªn cña ®¹i d−¬ng toµn cÇu biÕn ®æi mét c¸ch cã hÖ thèng theo vÜ ®é (h×nh 1.11). ë c¸c vÜ ®é cËn nhiÖt ®íi ®é muèi bÒ mÆt lín do sù bèc h¬i v−ît qu¸ l−îng m−a lµm cho n−íc biÓn giµu muèi. T¹i c¸c vÜ ®é trung b×nh vµ cao m−a n−íc ngät v−ît qu¸ l−îng bèc h¬i vµ ®é muèi bÒ mÆt hoµn toµn thÊp. ë d−íi s©u ®¹i d−¬ng sù biÕn ®æi cña ®é muèi nhá h¬n nhiÒu so víi gÇn bÒ mÆt v× c¸c nguån vµ bån n−íc ngät chØ ë trªn bÒ mÆt. 15 B¶ng 1.3 Nång ®é cña c¸c thµnh phÇn chÝnh cña n−íc biÓn cã ®é muèi 35% Thµnh phÇn Sè gam trªn mét kg Clorua 19,353 Natri 10,76 Sulfate 2,712 Magiª 1,29 Canxi 0,413 Kali 0,387 Bicarbonate (carbonat axit) 0,142 Bromua 0,067 Stronti 0,008 Bo 0,004 Florua 0,001 H×nh 1.11 Profile ®é muèi trung b×nh n¨m ®èi víi trung b×nh toµn cÇu vµ c¸c vÜ ®é kh¸c nhau. (Sè liÖu tõ Levitus, 1982) 1.7 B¨ng quyÓn Kho¶ng 2% l−îng n−íc cña tr¸i ®Êt bÞ ®ãng b¨ng vµ kho¶ng 80% l−îng n−íc ®ãng b¨ng nµy lµ n−íc ngät. HÇu hÕt khèi l−îng b¨ng chøa trong c¸c t¶ng b¨ng cùc lín ë Nam cùc (89%) vµ Greenland (8,6%) (b¶ng 1.4). B¨ng quyÓn bao gåm c¸c khèi tuyÕt vµ b¨ng lín trªn bÒ mÆt tr¸i ®Êt . §èi víi khÝ hËu khèi l−îng cña b¨ng kh«ng ph¶i lµ quan träng nhÊt, mµ quan träng h¬n lµ diÖn tÝch bÒ mÆt bÞ phñ mét líp b¨ng víi ®é dµy nµo ®ã. V× bÒ mÆt b¨ng cã ®é dµy bÊt kú nãi chung lµ vËt ph¶n x¹ bøc x¹ mÆt trêi hiÖu qu¶ h¬n bÊt cø bÒ mÆt nµo d−íi nã. B¨ng biÓn còng lµ vËt c¸ch ly tèt lµm cho nhiÖt ®é kh«ng khÝ kh¸c xa nhiÖt ®é n−íc biÓn phÝa d−íi b¨ng. HiÖn nay b¨ng phñ quanh n¨m (vÜnh cöu) kho¶ng 11% diÖn tÝch ®Êt liÒn vµ 7% thÕ giíi ®¹i d−¬ng. Trong mét sè mïa tæng diÖn tÝch ®Êt bÞ tuyÕt phñ v−ît qu¸ diÖn tÝch bÒ mÆt bÞ phñ bëi líp b¨ng vÜnh cöu. DiÖn tÝch bÒ mÆt bÞ phñ bëi nh÷ng t¶ng b¨ng, líp tuyÕt phñ theo mïa vµ líp b¨ng biÓn ®−¬ng ®−¬ng víi nhau. C¸c t¶ng b¨ng bao 16 phñ kho¶ng 16×106 km2, líp tuyÕt phñ theo mïa kho¶ng 50×106 km2, vµ b¨ng biÓn ®¹t ®Õn 23×106 km2. B¶ng 1.4 B¨ng toµn cÇu b¨ng trªn ®Êt liÒn vµ trªn biÓn DiÖn tÝch (km2) ThÓ tÝch (m3) Tû lÖ so víi tæng khèi l−îng b¨ng 6 30,1×10 6 B¨ng Nam cùc 13,9×10 89,3 B¨ng trªn ®¶o 1,7×106 2,6×106 8,6 0,5×106 0,3×106 0,76 Liªn tôc 8×106 0,2−0,5×106 0,95 b¨ng B¨ng B¨ng hµ trªn nói trªn §Êt ®ãng b¨ng ®Êt vÜnh cöu Kh«ng liªn tôc 17×106 TuyÕt theo mïa (Lôc ®Þa) ¢u ¸ 30×106 Ch©u Mü 17×106 Max 18×106 2×104 Min 3×106 6×103 Max 15×106 4×104 Min 8×106 2×104 2− 3×103 (cùc ®¹i trung b×nh) B¨ng Nam B¨ng D−¬ng biÓn B¾c B¨ng D−¬ng 1.8 BÒ MÆt ®Êt MÆc dï bÒ mÆt ®Êt ®ãng vai trß nhá h¬n trong hÖ thèng khÝ hËu toµn cÇu so víi khÝ quyÓn hoÆc ®¹i d−¬ng, khÝ hËu trªn bÒ mÆt ®Êt lµ cùc kú quan träng ®èi víi chóng ta v× loµi ng−êi lµ sinh vËt ®Þnh c− trªn ®Êt liÒn. Lóa g¹o, ngò cèc lµ nguån l−¬ng thùc quan träng nhÊt, vµ cung cÊp kho¶ng mét nöa sè calo cña thÕ giíi vµ rÊt nhiÒu protein. Kho¶ng 80% protein ®éng vËt mµ con ng−êi tiªu thô ®−îc lÊy tõ thÞt, trøng vµ c¸c s¶n phÈm b¬ s÷a, vµ chØ kho¶ng 20% tõ h¶i s¶n. H¬n n÷a, hÇu hÕt c¸c nguyªn vËt liÖu x©y dùng ®−îc lÊy tõ ®Êt liÒn hoÆc khai th¸c tõ lôc ®Þa. Trªn mÆt ®Êt, nhiÖt ®é vµ ®é Èm ®Êt lµ nh÷ng yÕu tè quyÕt ®Þnh c¬ b¶n ®èi víi thùc vËt tù nhiªn vµ tiÒm n¨ng n«ng nghiÖp cña mét vïng. Thùc vËt, líp phñ tuyÕt vµ ®iÒu kiÖn ®Êt ®ai còng ¶nh h−ëng ®Õn khÝ hËu ®Þa ph−¬ng vµ khÝ hËu toµn cÇu, do ®ã khÝ hËu ®Þa ph−¬ng vµ c¸c ®iÒu kiÖn bÒ mÆt ®Êt tham gia vµo mèi quan hÖ hai chiÒu. Líp phñ ®Êt chØ chiÕm kho¶ng 30% diÖn tÝch bÒ mÆt tr¸i ®Êt. Ph©n bè cña c¸c vïng ®Êt vµ ®¹i d−¬ng trªn tr¸i ®Êt ®ãng vai trß quyÕt ®Þnh ®èi víi khÝ hËu toµn cÇu. Sù ph©n bè cña ®Êt vµ biÓn biÕn ®æi trªn qui m« thêi gian hµng triÖu n¨m nh− sù tr«i d¹t lôc ®Þa. HiÖn nay kho¶ng 70% diÖn tÝch ®Êt cña tr¸i ®Êt n»m ë b¾c b¸n cÇu (h×nh 1.12) vµ sù bÊt ®èi xøng nµy g©y nªn nh÷ng kh¸c biÖt ®¸ng kÓ gi÷a khÝ 17 hËu b¾c vµ Nam b¸n cÇu. §Þa h×nh bÒ mÆt ®Êt, sù ph©n bè vµ h−íng cña c¸c d·y nói lµ nh÷ng nh©n tè quyÕt ®Þnh c¬ b¶n cña khÝ hËu trªn c¸c vïng ®Êt liÒn. B¾c b¸n cÇu cã nhiÒu biÕn ®æi ®ét ngét theo h−íng ®«ng−t©y trong sù n©ng lªn cña lôc ®Þa, ®Æc biÖt ë vÜ ®é trung b×nh n¬i cã c¸c d·y nói Himalaya vµ Rocky nh« lªn râ rÖt (h×nh 1.13). H×nh 1.12 Sù phô thuéc vµo vÜ ®é cña tû lÖ diÖn tÝch mÆt ®Êt do ®Êt phñ so víi diÖn tÝch mÆt ®Êt toµn cÇu (®−êng liÒn) vµ so víi diÖn tÝch mÆt ®Êt ®Êt toµn cÇu (®−êng ®øt) H×nh 1.13 §Þa h×nh mÆt ®Êt t−¬ng øng víi mùc biÓn theo c¸c cÊp ®é x¸m. §é ph©n gi¶i cña tµi liÖu c¬ së lµ 1 ®é kinh vÜ. §¬n vÞ ®é cao lµ met KhÝ hËu qui ®Þnh giíi h¹n ®Êt cã thÓ ®−îc sö dông nh− thÕ nµo. B¶ng 1.5 dÉn ra tû lÖ diÖn tÝch ®Êt cña tr¸i ®Êt hiÖn nay ®ang ®−îc sö dông cho c¸c môc ®Ých kh¸c nhau. Kho¶ng mét phÇn ba ®−îc dïng ®Ó ph¸t triÓn mïa mµng hoÆc nu«i th¶ ®éng vËt, mét phÇn ba lµ rõng, vµ mét phÇn ba lµ sa m¹c hoÆc l·nh nguyªn (tundra). VÒ mÆt lÞch sö, con ng−êi ®· biÕn c¸c vïng ®Êt rõng thµnh ®Êt n«ng nghiÖp, n¬i ë vµ n¬i nu«i th¶ sóc vËt. ë mét sè ®iÒu kiÖn khÝ hËu, viÖc nu«i th¶ sóc vËt qu¸ møc kÕt hîp víi h¹n h¸n ®· biÕn c¸c vïng ®Êt nu«i th¶ sóc vËt thµnh sa m¹c. Con ng−êi ®· lµm thay ®æi m¹nh mÏ tÝnh tù nhiªn cña bÒ mÆt ®Êt vµ cßn tiÕp tôc lµm nh− vËy víi tèc ®é ngµy cµng gia t¨ng. 18 B¶ng 1.5 §Êt sö dông nh− lµ phÇn tr¨m cña tæng diÖn tÝch ®Êt §Êt sö dông PhÇn tr¨m §Êt trång trät vµ diÖn tÝch ë cña con ng−êi 10−13 §Êt nu«i th¶ sóc vËt 20−25 Rõng ngo¹i nhiÖt ®íi (chñ yÕu lµ c©y cã qu¶ h×nh nãn) 10−15 Rõng nhiÖt ®íi 13−18 Sa m¹c 25−30 L∙nh nguyªn, vïng vÜ ®é cao 6−9 Vïng ngËp n−íc, ®Çm lÇy, hå vµ suèi 2−3 C©u hái vµ bµi tËp 1. Nªu mét sè nguyªn nh©n gi¶i thÝch t¹i sao biªn ®é dao ®éng n¨m cña nhiÖt ®é bÒ mÆt lµ lín nhÊt ë Siberia (h×nh 1.7). 2. NÕu b¹n ®øng trªn ®Ønh nói Everest ë ®é cao 8848 m th× kho¶ng bao nhiªu phÇn tr¨m khèi l−îng khÝ quyÓn ë phÝa d−íi b¹n? 3. NÕu khÝ quyÓn nãng lªn 5oC th× khÝ ¸p ë ®é cao 5 km trªn mùc n−íc biÓn sÏ t¨ng lªn hay gi¶m ®i, vµ t¨ng gi¶m kho¶ng bao nhiªu? 4. H·y gi¶i thÝch t¹i sao ë B¾c cùc cã nghÞch nhiÖt vµo mïa ®«ng mµ kh«ng x¶y ra trong mïa hÌ? 5. Theo b¹n t¹i sao ®é muèi ë 57,50N l¹i nhá h¬n rÊt nhiÒu so víi ®é muèi ë 27,50N (h×nh 1.11)? 6. Tû lÖ diÖn tÝch bÒ mÆt ®Êt hiÖn ®ang ®−îc sö dông cho trång trät hoÆc ch¨n th¶ so víi diÖn tÝch cã thÓ ®−îc sö dông ®Ó trång trät hoÆc ch¨n th¶ lµ bao nhiªu (b¶ng 1.5)? 19 Ch−¬ng 2. C©n b»ng n¨ng l−îng toµn cÇu 2.1 Sù nãng lªn vµ n¨ng l−îng NhiÖt ®é lµ mét biÕn khÝ hËu c¬ b¶n, lµ th−íc ®o n¨ng l−îng chuyÓn ®éng cña c¸c ph©n tö. §Ó hiÓu nhiÖt ®é ®−îc duy tr× nh− thÕ nµo tr−íc hÕt ta cÇn xÐt c©n b»ng n¨ng l−îng trªn c¬ së ®Þnh luËt thø nhÊt nhiÖt ®éng lùc häc. C©n b»ng n¨ng l−îng toµn cÇu cña tr¸i ®Êt vÒ c¬ b¶n lµ sù c©n b»ng gi÷a n¨ng l−îng ®Õn tõ mÆt trêi vµ n¨ng l−îng trë vÒ kh«ng gian vò trô do bøc x¹ ph¸t x¹ cña tr¸i ®Êt. N¨ng l−îng sinh ra do tr¸i ®Êt cã ¶nh h−ëng kh«ng ®¸ng kÓ ®Õn nguån n¨ng l−îng chñ yÕu nµy. Sù hÊp thô bøc x¹ mÆt trêi diÔn ra chñ yÕu t¹i mÆt ®Êt, trong khi hÇu hÕt sù ph¸t x¹ vµo kh«ng gian vò trô b¾t nguån tõ líp vá khÝ quyÓn cña nã. V× khÝ quyÓn hÊp thô vµ ph¸t x¹ bøc x¹ hång ngo¹i rÊt m¹nh nªn mÆt ®Êt sÏ nãng h¬n rÊt nhiÒu nÕu kh«ng cã líp khÝ quyÓn. Trung b×nh trong mét n¨m n¨ng l−îng mÆt trêi hÊp thô ®−îc ë gÇn xÝch ®¹o lín h¬n ë gÇn c¸c cùc. KhÝ quyÓn vµ ®¹i d−¬ng vËn chuyÓn n¨ng l−îng tõ c¸c vïng xÝch ®¹o vÒ phÝa hai cùc lµm gi¶m hiÖu øng cña gradient nhiÖt ®èi víi nhiÖt ®é bÒ mÆt. NhiÒu ®Æc tr−ng tiÕn ho¸ cña tr¸i ®Êt vµ khÝ hËu tr¸i ®Êt ®−îc quyÕt ®Þnh bëi vÞ trÝ cña nã trong hÖ mÆt trêi. 2.2 HÖ mÆt trêi Nguån n¨ng l−îng ®Ó duy tr× sù sèng trªn tr¸i ®Êt ®Õn tõ mÆt trêi. Tr¸i ®Êt chuyÓn ®éng theo quÜ ®¹o quanh mÆt trêi mét vßng trong mét n¨m, nãi chung gi÷ kho¶ng c¸ch t−¬ng ®èi kh«ng ®æi víi mÆt trêi, v× thÕ mÆt trêi cung cÊp ®Çy ®ñ, æn ®Þnh nguån nhiÖt vµ ¸nh s¸ng cho tr¸i ®Êt. MÆt trêi lµ mét trong kho¶ng 1011 ng«i sao trong hÖ ng©n hµ cña chóng ta, hÖ Milky Way (b¶ng 2.1). Nã lµ mét ng«i sao ®¬n, trong khi kho¶ng hai phÇn ba sè ng«i sao chóng ta cã thÓ thÊy lµ nh÷ng hÖ ®a sao. B¶ng 2.1 C¸c tÝnh chÊt cña mÆt trêi Khèi l−îng 1,99 × 1030 kg B¸n kÝnh 6,96 × 108 m §é chãi 3,9 × 1026 J/s Kho¶ng c¸ch trung b×nh ®Õn tr¸i ®Êt 1,496 × 1011 m §é chãi lµ møc ®é n¨ng l−îng ®−îc gi¶i phãng cña mÆt trêi. Chóng ta biÕt c¸c ng«i sao cã thÓ cã ®é chãi nhá h¬n 10−4 lÇn vµ s¸ng h¬n 105 lÇn so víi mÆt trêi.