LỜI CẢM ƠN
Trước tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn tới thầy hướng dẫn luận văn của tôi,
Tiến sĩ Nguyễn Văn Thắng, đã tạo mọi điều kiện, động viên và giúp đỡ tôi
hoàn thành tốt luận văn này. Tôi cũng xin chân thành cảm ơn tới phó giáo sư,
Tiến sĩ Phan Văn Tân. Trong suốt quá trình nghiên cứu, thầy đã kiên nhẫn
hướng dẫn, trợ giúp và động viên tôi rất nhiều. Sự hiểu biết sâu sắc về khoa
học, cũng như kinh nghiệm của thầy chính là tiền đề giúp tôi đạt được những
thành tựu và kinh nghiệm quý báu. Tôi xin cảm ơn Tiến sĩ Hồ Minh Hà, Tiến
sĩ Bùi Hoàng Hải và người bạn Lương Mạnh Thắng đã quan tâm, giúp đỡ,
thảo luận và đưa ra những chỉ dẫn, đề nghị cho luận văn của tôi.
Xin cám ơn Khoa Khí tượng Thủy văn và Hải dương học, Phòng sau
đại học, Trường đại học Khoa học Tự Nhiên đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi
làm việc trên khoa để tiến hành tốt luận văn.
Tôi cũng xin cảm ơn bạn bè và gia đình đã luôn bên tôi, cổ vũ và động
viên tôi những lúc khó khăn để có thể vượt qua và hoàn thành tốt luận văn
này.
Tôi xin chân thành cảm ơn!
1
MỤC LỤC
MỤC LỤC ........................................................................................................................ 2
MỤC LỤC BẢNG ............................................................................................................ 4
MỤC LỤC HÌNH.............................................................................................................. 5
MỞ ĐẦU .......................................................................................................................... 8
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ SOL KHÍ VÀ MÔ HÌNH RegCM .................................. 9
1.1. TỔNG QUAN VỀ SOL KHÍ ..................................................................................... 9
1.1.1. Các loại sol khí tác động mạnh tới hệ thống khí hậu của Trái đất................ 11
1.1.1.1. Sol khí núi lửa......................................................................................... 11
1.1.1.2. Bụi sa mạc.............................................................................................. 12
1.1.1.3. Sol khí tạo bởi con người ........................................................................ 13
1.1.2. Sol khí tác động lên hệ thống khí hậu của Trái đất ....................................... 13
1.1.2.1. Tác động của sol khí lên nhiệt độ bề mặt................................................. 15
1.1.2.2. Tác động của sol khí lên mây và giáng thủy ............................................ 16
1.1.2.3. Tác động của sol khí lên Albedo bề mặt và năng lượng bức xạ mặt trời tới
bề mặt trái đất ......................................................................................................... 23
1.1.2.4. Ảnh hưởng của sol khí lên hoàn lưu khí quyển ........................................ 25
1.2. TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH RegCM3 .................................................................. 26
1.2.1. Giới thiệu về mô hình RegCM3 ...................................................................... 26
1.2.2. Lịch sử của RegCM......................................................................................... 28
1.2.3. Động lực học .................................................................................................... 32
1.2.3.1.
Phương trình động lượng phương ngang ................................................ 32
.
1.2.3.2. Phương trình liên tục và phương trình ............................................... 33
1.2.3.3. Phương trình nhiệt động lực và phương trình Omega() ........................ 33
1.2.3.4. Phương trình thủy tĩnh............................................................................ 34
1.2.4. Các sơ đồ vật lí ................................................................................................ 34
1.2.4.1.
1.2.4.2.
1.2.4.3.
1.2.4.4.
1.2.4.5.
1.2.4.6.
1.2.4.7.
1.2.4.8.
Sơ đồ bức xạ........................................................................................... 34
Mô hình bề mặt đất................................................................................. 35
Lớp biên hành tinh.................................................................................. 36
Sơ đồ giáng thủy đối lưu......................................................................... 37
Sơ đồ giáng thủy qui mô lớn ................................................................... 37
Tham số hóa thông lượng đại dương....................................................... 38
Sơ đồ Gradient khí áp............................................................................. 38
Mô hình hồ ............................................................................................. 38
2
1.2.4.9. Sinh quyển .............................................................................................. 39
1.2.4.10.
Thể nước............................................................................................. 40
1.2.4.11.
Sol khí và hóa học khí quyển ............................................................... 40
1.2.4.12.
Điều kiện ban đầu và điều kiện biên .................................................... 41
1.3. MỤC TIÊU CHÍNH CỦA LUẬN VĂN .................................................................. 41
CHƯƠNG 2. MÔ HÌNH VÀ THIẾT KẾ THÍ NGHIỆM ................................................. 42
2.1. SOL KHÍ SULFAT VÀ CACBON TRONG MÔ HÌNH RegCM3 ........................... 42
2.1.1. Phương trình tỉ lệ xáo trộn.............................................................................. 42
2.1.2. Sol khí Sulfat ................................................................................................... 42
2.1.3. Sol khí Cacbon................................................................................................. 47
2.1.4. Các điều kiện biên cho SOx và sol khí Cacbon .............................................. 48
2.1.5. Tác động trực tiếp và gián tiếp của sol khí..................................................... 49
2.1.5.1. Hấp thụ và Tác động bán trực tiếp của Cacbon đen................................ 50
2.1.5.2. Tác động gián tiếp loại 1 ........................................................................ 51
2.1.5.3. Tác động gián tiếp loại 2 ........................................................................ 52
2.2. THU THẬP SỐ LIỆU ĐẦU VÀO CHO MÔ HÌNH RegCM ................................... 56
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ TÍNH TOÁN VÀ PHÂN TÍCH................................................ 58
3.1. THIẾT KẾ THÍ NGHIỆM ....................................................................................... 58
3.2. LỰA CHỌN MIỀN TÍNH ....................................................................................... 58
3.3. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM........................................................................................ 60
3.3.1. Đánh giá khả năng mô phỏng của mô hình dự báo khí hậu khu vực RegCM3
60
3.3.2. Tác động của sol khí khí quyển của khu vực.................................................. 61
3.3.2.1. Cán cân thuần bức xạ (Radiation Forcing) ............................................. 61
3.3.2.2. Nhiệt độ và lượng mưa ........................................................................... 68
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ......................................................................................... 80
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................... 81
3
MỤC LỤC BẢNG
Bảng 1.a. Những tác động gián tiếp khác nhau của sol khí và hiệu ứng biến đổi thông
lượng bức xạ tại đỉnh khí quyển...................................................................................... 19
Bảng 1.1.b. Những tác động gián tiếp khác nhau của sol khí và ảnh hưởng của nó tới bức
xạ sóng ngắn tại bề mặt đất (cột 2 đến cột 4) và tới giáng thuỷ (cột 5 đến cột 7) .............. 19
Bảng 2.1. Bốn trường hợp thử nghiệm trong mô hình dự báo khí hậu RegCM .......... Error!
Bookmark not defined.
Bảng 3.1. Trung bình toàn miền cán cân thuần bức xạ tại đỉnh khí quyển, bề mặt và khí
quyển trong 4 tháng đặc trưng cho bốn mùa (Đơn vị: W/m2)........................................... 65
Bảng 3.2. Trung bình lượng mây phủ ở mực dưới 750mb (Đơn vị: phần trăm) ................ 66
4
MỤC LỤC HÌNH
Hình 1.1. Núi lửa Pinatubo phun trào và hàng tấn sol khí bị đưa vào khí quyển (1991) ...... 1
Hình 1.2. Sol khí núi lửa.................................................................................................... 1
Hình 1.3. Bụi sa mạc ......................................................................................................... 1
Hình 1.4. Sol khí tạo bởi con người ................................................................................... 1
Hình 1.5. Những cơ chế bức xạ khác nhau của mây gây ra bởi sol khí. ........................... 15
Hình 1.6. Tác động của mật độ hạt mây đến độ phản xạ của mây (albedo)......................... 1
Hình 1.7. Mô tả những tác động khác nhau của sol khí đã được trình bày trong bảng 1.... 21
Hình 1.8. Lưới phương thẳng đứng của mô hình RegCM................................................. 30
Hình 1.9. Lưới ngang dạng xen kẽ dạng B - Arakawa - Lamb của mô hình...................... 32
Hình 2.1. Sự biến đổi của Pautocv, tốc độ tự động chuyển đổi ............................................ 56
Hình 3.1. Miền tính khu vực Đông Nam Á ...................................................................... 59
Hình 3.2. Mô hình mô mô phỏng nhiệt độ trung bình tháng và lượng mưa....................... 60
trung bình toàn miền so với quan trắc .............................................................................. 60
Hình 3.3. Mô hình mô phỏng lượng mưa trung bình toàn miền........................................ 61
so với quan trắc ............................................................................................................... 61
Hình 3.4. Mô phỏng cán cân thuần bức xạ tại đỉnh khí quyển .......................................... 62
Trong trường hợp sol khí SOx ......................................................................................... 62
Hình 3.5. Mô phỏng cán cân thuần bức xạ tại bề mặt....................................................... 62
Trong trường hợp sol khí SOx ......................................................................................... 62
Hình 3.6. Mô phỏng cán cân thuần bức xạ của khí quyển................................................. 62
Trong trường hợp sol khí SOx ......................................................................................... 62
Hình 3.7. Mô phỏng cán cân thuần bức xạ tại đỉnh khí quyển .......................................... 63
Trong trường hợp sol khí BC........................................................................................... 63
Hình 3.8. Mô phỏng cán cân thuần bức xạ tại bề mặt....................................................... 63
5
Trong trường hợp sol khí BC........................................................................................... 63
Hình 3.9. Mô phỏng cán cân thuần bức xạ của khí quyển................................................. 63
Trong trường hợp sol khí BC........................................................................................... 63
Hình 3.10. Mô phỏng cán cân thuần bức xạ tại đỉnh khí quyển ........................................ 64
Trong trường hợp sol khí hữu cơ ..................................................................................... 64
Hình 3.11. Mô phỏng cán cân thuần bức xạ tại bề mặt ..................................................... 64
Trong trường hợp sol khí hữu cơ ..................................................................................... 64
Hình 3.12. Mô phỏng cán cân thuần bức xạ của khí quyển............................................... 64
Trong trường hợp sol khí hữu cơ ..................................................................................... 64
Hình 3.13. Trung bình lượng mây phủ ở mực dưới 750mb .............................................. 67
Hình 3.14. Chênh lệch nhiệt độ và lượng mưa trung bình toàn miền của 3 trường hợp có
tính đến tác động của sol khí so với trường hợp chuẩn, không tính đến sol khí a) nhiệt độ
trung bình toàn miền (0C), b) lượng mưa trung bình toàn miền (mm/tháng) ..................... 68
Hình 3.15a. Mô phỏng nhiệt độ và lượng mưa của tỉnh Lai Châu năm 2000 ................... 69
Hình 3.15b. Mô phỏng nhiệt độ và lượng mưa của tỉnh Điện Biên năm 2000................... 70
Hình 3.15c. Mô phỏng nhiệt độ và lượng mưa của tỉnh Sơn La năm 2000 ....................... 70
Hình 3.16a. Mô phỏng nhiệt độ và lượng mưa của tỉnh Bắc Quang năm 2000 ................. 71
Hình 3.16b. Mô phỏng nhiệt độ và lượng mưa của tỉnh Sa Pa năm 2000.......................... 71
Hình 3.16c. Mô phỏng nhiệt độ và lượng mưa của tỉnh Cao Bằng năm 2000 ................... 72
Hình 3.16d. Mô phỏng nhiệt độ và lượng mưa của tỉnh Bắc Cạn năm 2000 ..................... 72
Hình 3.16e. Mô phỏng nhiệt độ và lượng mưa của tỉnh Lạng Sơn năm 2000.................... 72
Hình 3.16g. Mô phỏng nhiệt độ và lượng mưa của tỉnh Móng Cái năm 2000 ................... 73
Hình 3.17a. Mô phỏng nhiệt độ và lượng mưa của Hà Nội năm 2000 ............................. 74
Hình 3.17b. Mô phỏng nhiệt độ và lượng mưa của tỉnh Nam Định năm 2000 ................. 74
Hình 3.17c. Mô phỏng nhiệt độ và lượng mưa của tỉnh Thanh Hóa năm 2000 ................ 74
Hình 3.18a. Mô phỏng nhiệt độ và lượng mưa của Vinh năm 2000................................. 75
6
Hình 3.18b. Mô phỏng nhiệt độ và lượng mưa của tỉnh Đồng Hới năm 2000 .................. 75
Hình 3.18c. Mô phỏng nhiệt độ và lượng mưa của Huế năm 2000 .................................. 76
Hình 3.19a. Mô phỏng nhiệt độ và lượng mưa Đà Nẵng năm 2000 ................................. 76
Hình 3.19b. Mô phỏng nhiệt độ và lượng mưa Quy Nhơn năm 2000 .............................. 77
Hình 3.20a. Mô phỏng nhiệt độ và lượng mưa PlayCu năm 2000 ................................... 77
Hình 3.20b. Mô phỏng nhiệt độ và lượng mưa Buôn Mê Thuột năm 2000 ...................... 78
Hình 3.20c. Mô phỏng nhiệt độ và lượng mưa Đà Lạt năm 2000 .................................... 78
Hình 3.21a. Mô phỏng nhiệt độ và lượng mưa Cần Thơ năm 2000 ................................. 79
Hình 3.21b. Mô phỏng nhiệt độ và lượng mưa Ca Mau năm 2000 .................................. 79
7
MỞ ĐẦU
Ngày nay nghiên cứu các tác động ảnh hưởng tới khí hậu và biến đổi
khí hậu là một trong những vấn đề quan trọng của khí tượng và ngày càng
được nhiều nhà khoa học quan tâm. Nhiều nghiên cứu của các nhà khoa học
đã chỉ ra rằng thành phần hóa học của khí quyển đã thay đổi và chúng có mối
liên hệ trực tiếp hoặc gián tiếp với các điều kiện thời tiết, khí hậu ở quy mô
toàn cầu, khu vực.
Sol khí là một trong tác nhân quan trọng gây nên những thay đổi hóa
học của khí quyển, thay đổi quá trình hình thành mây, phản xạ và hấp thụ
năng lượng bức xạ gây nên những biến đổi trong hệ thống thời tiết – khí hậu.
Từ những tác động của sol khí lên hệ thống khí hậu, gây biến đổi khí
hậu, chúng ảnh hưởng gián tiếp tới các lĩnh vực kinh tế xã hội, môi trường. Vì
những lý do nêu trên, Tổ chức Khí tượng thế giới (WMO) đã chọn chủ đề cho
ngày khí tượng thế giới năm 2009 là “Thời tiết, khí hậu và không khí chúng ta
đang thở”.
Để đánh giá tác động của sol khí lên hệ thống khí hậu – thời tiết cho
khu vực Đông Nam Á, luận văn đã tiến hành nghiên cứu, đánh giá các sol khí
Sunfat, Cacbon đen và Cacbon hữu cơ ảnh hưởng tới nhiệt độ và lượng mưa
khu vực.
8
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ SOL KHÍ VÀ MÔ HÌNH RegCM
1.1. TỔNG QUAN VỀ SOL KHÍ
Sol khí là các phần tử nhỏ lơ lửng trong khí quyển. Chúng ta có thể nhận
thấy sự hiện diện của sol khí khi chúng đủ lớn thông qua sự phân tán và hấp thụ tia
bức xạ mặt trời của sol khí. Sự phân tán bức xạ mặt trời của sol khí có thể làm giảm
khả năng nhìn và làm ửng đỏ khi mặt trời mọc và lặn. Những sol khí này có nhiều
nguồn gốc, có thể là nguồn gốc tự nhiên như từ đất, từ muối biển, từ các đám cháy
thực vật hoặc cũng có thể do con người tạo ra từ việc đốt cháy các chất thải, nhiên
liệu than và dầu trong các khu công nghiệp, tạo ra các phần tử sulfat, cacbon đen,...
Sol khí tác động trực tiếp
và gián tiếp lên trữ lượng bức xạ
của Trái Đất và khí hậu. Tác động
trực tiếp là các sol khí trực tiếp
phân tán và hấp thụ các tia xạ bức
xạ mặt trời trong không gian. Tác
động gián tiếp là khi sol khí ở tầng
thấp của khí quyển có thể làm thay
đổi kích cỡ của các phần tử mây,
làm thay đổi phản xạ và hấp thụ
bức xạ mặt trời của mây, và như
vậy tác động lên trữ lượng năng
lượng của Trái Đất.
Sol khí cũng có thể gây ra
các phản ứng hóa học. Đáng kể
nhất là phản ứng có tác động phá
hoại ozon ở tầng bình lưu. Trong
Hình 1.1. Núi lửa Pinatubo phun trào và hàng tấn
sol khí bị đưa vào khí quyển (1991)
(theo thống kê của Mỹ 1995)
suốt mùa đông ở các khu vực cực,
9
sol khí phát triển hình thành các đám mây bụi ở tầng bình lưu cực. Các phản ứng
hóa học xảy ra ở khu vực tập trung nhiều các phần tử mây bụi. Các phản ứng này
chủ yếu là phản ứng Clo và cuối cùng chúng phá hủy ozon ở tầng bình lưu. Chứng
cớ cho sự phá hủy tầng ozon này là hiện tại đang tồn tại các thay đổi tập trung của
ozon trong tầng bình lưu tương tự như đã xảy ra khi có sự phun trào núi lửa lớn,
giống như năm 1991, núi Pinatubo phun trào và hàng tấn sol khí bị đưa vào khí
quyển (Hình 1.1). Một lượng lớn SO2, HCl và tro bụi được đưa vào tầng bình lưu
của khí quyển Trái đất khi núi lửa phun trào. Trong hầu hết các trường hợp HCl
ngưng tụ với hơi nước và theo mưa rơi khỏi đám mây hình thành bởi phun trào núi
lửa, còn SO2 từ đám mây được chuyển đổi thành H2SO4. Axit H2SO4 nhanh chóng
ngưng tụ lại và các phần tử sol khí này sẽ tồn tại trong khí quyển trong một khoảng
thời gian. Tương tác hóa học lên bề mặt của sol khí có xu hướng tăng mức độ Clo,
Clo tương tác với Nito ở tầng bình lưu, đây chính là nguyên nhân chủ yếu trong phá
hủy lớp ozon ở tầng bình lưu.
Đường kính sol khí trải từ vài nanomet (nm) tới hàng chục micromet (µm).
Kích cỡ của sol khí được chia ra làm 3 cấp. Cấp có kích cỡ nhỏ nhất gọi là các phần
tử cực nhỏ (nhỏ hơn khoảng 0,1µm) chủ yếu phát sinh từ chuyển đổi các phần tử
khí như khí SO2, NOx và Cacbon hữu cơ dễ bay hơi bị oxi hóa và ngưng tụ lại. Cấp
có đường kính lớn nhất được gọi là phần tử thô (xấp xỉ 1µm) được tạo ra rất cơ học,
gió thổi trên khu vực bụi hoặc bốc hơi từ bụi nước biển,… Giữa các phần tử cực
nhỏ và phần tử thô là phần tử nhỏ cỡ 0,1 đến 1µm. Dạng này được quy cho là dạng
tích tụ vì các sol khí ở kích thước này tích tụ từ các phần tử cực nhỏ và có xu hướng
tồn tại lâu dài trong khí quyển (vài ngày) bởi lắng động chậm và tốc độ tích tụ.
Dạng này liên quan chủ yếu tới trữ lượng năng lượng Trái Đất và biến đổi khí hậu
bởi tương tác của chúng với bức xạ mặt trời, (hầu hết năng lượng bức xạ ở trong
khoảng phổ cỡ 0,5 µm), và các phần tử này cũng có kích cỡ tương tự như sóng dài
phân tán ánh sáng, nhân ngưng kết mây CCN và nhân ngưng kết băng (IN). Dạng
sol khí này thông thường tồn tại trong khí quyển vài ngày có khi vài tuần. Các phần
tử sol khí khí quyển có thể bắt nguồn từ các phần tử cơ bản hoặc được hình thành từ
10
tiền chất khí (nguồn thứ hai), đó là các phần tử khí chuyển đổi đã nói ở trên (SO2,
NOx, và VOC,…). Một vài nguồn từ tự nhiên đưa vào khí quyển như từ núi lửa, bụi
từ sóng biển, đại dương; Mặt khác, các phát thải công nghiệp, cháy sinh khối và
phát thải đất bụi từ các hoạt động nông nghiệp do con người gây nên. Trên toàn cầu,
thông lượng sol khí khí quyển được ước chừng khoảng 3440 Tg/năm, trong đó 10%
từ các hoạt động của con người. Tuy nhiên, các sol khí do con người gây ra chủ yếu
là sol khí sulfat và cacbon (cacbon đen và cacbon hữu cơ), về thực chất nó đã tăng
kể từ thời kỳ tiền công nghiệp (IPCC, 1995), và thậm chí còn vượt các nguồn tự
nhiên trên toàn cầu, và có trội hơn hẳn ở vùng đô thị và công nghiệp. Sự phát thải
sol khí là vấn đề lớn trên toàn cầu, sol khí khu vực từ các nguồn ảnh hưởng hoạt
động của con người ảnh hưởng lớn đến khí hậu và môi trường.
1.1.1. Các loại sol khí tác động mạnh tới hệ thống khí hậu của Trái đất
1.1.1.1. Sol khí núi lửa
Sol
khí
của núi lửa được
hình thành ở tầng
bình lưu sau các
trận phun trào lớn
của núi lửa giống
như núi Pinatubo.
Lớp sol khí chủ
yếu
hình thành
bởi khí SO2, sau
đó
thành
chuyển
đổi
giọt
axit
Hình 1.2. Sol khí núi lửa
(Tham khảo trên báo Science Daily)
sulfuric trong tầng bình lưu tồn tại từ một tuần tới vài tháng sau khi núi lửa phun
trào (Hình 1.2). Gió trong tầng bình lưu trải rộng sol khí cho đến khi chúng bao phủ
11
toàn cầu. Sau mỗi lần hình thành, các sol khí này tồn tại trong tầng đối lưu khoảng
hai năm. Chúng phản xạ bức xạ mặt trời, giảm lượng năng lượng tới tầng thấp hơn
của khí quyển và bề mặt Trái Đất, làm lạnh chúng. Đợt lạnh năm 1993 được cho
rằng liên quan tới lớp sol khí ở tầng bình lưu được tạo ra bởi sự phun trào núi lửa
Pinatubo. Năm 1995, mặc dù sự phun trào núi lửa Pinatubo đã qua được vài năm
nhưng lớp này vẫn còn tàn dấu vết trong khí quyển. Số liệu từ các vệ tinh NASA
cho các nhà nghiên cứu hiểu rõ hơn về tác động của sol khí núi lửa lên khí quyển
của chúng ta.
1.1.1.2. Bụi sa mạc
Loại thứ hai của sol khí có tác động đáng kể lên khí hậu là bụi sa mạc. Các
bức tranh từ các vệ tinh khí tượng thường cho thấy màn bụi trên Đại Tây Dương từ
các sa mạc ở Bắc Phi. Theo như quan trắc bụi rơi
khỏi các lớp này tới các vùng khác nhau trên lục địa
Châu Mỹ. Tương tự như màn bụi của sa mạc trên
lục địa Châu Á. Vào tháng 9 năm 1994 Lidar, STS64, đã đo được lượng lớn bụi sa mạc trong tầng thấp
của khí quyển trên lục địa Châu Phi. Các phần tử
bụi nhẹ được thổi từ bề mặt sa mạc có liên quan lớn
Hình 1.3. Bụi sa mạc
tới sol khí khí quyển, thông thường chúng rơi khỏi
khí quyển sau khi bay thời đoạn ngắn nhưng chúng có thể được thổi lên độ cao
khoảng 15.000 ft (khoảng 4.500 m) hoặc cao hơn bởi sự cuốn hút mạnh mẽ của các
cơn bão cát.
Bụi là vô cơ, do vậy bụi hấp thụ cũng như phân tán tia bức xạ mặt trời.
Thông qua hấp thụ tia bức xạ mặt trời, các phần tử bụi làm ấm lớp khí quyển nơi
chúng cư trú. Không khí ấm được cho rằng là nguyên nhân ngăn chặn sự hình thành
của mây. Thông qua sự ngăn chặn hình mây, mưa, màn bụi được cho là nguyên
nhân mở rộng sa mạc trong tương lai.
12
1.1.1.3. Sol khí tạo bởi con người
Loại sol khí thứ ba là do các hoạt động của con
người. Phần lớn sol khí tạo bởi con người là do khói bụi
từ cháy các khu rừng nhiệt đới, đốt than và dầu. Sol khí
sulfat tạo bởi con người trong khí quyển đang tăng lên
nhanh chóng kể từ cuộc cách mạng công nghiệp. Với
mức độ sản xuất hiện tại, sol khí sulfat phát thải bởi con
người được cho rằng quá nhiều so với lượng sol khí
sulfat tự nhiên. Sol khí tập trung nhiều nhất ở Bắc
Hình 1.4. Sol khí tạo bởi con người
Bán Cầu nơi trung tâm hoạt động công nghiệp. Sol
khí sulfat không hấp thụ bức xạ mặt trời nhưng phản xạ chúng, bởi vậy làm giảm
lượng bức xạ mặt trời tới bề mặt Trái Đất. Sol khí sulfat tồn tại trong khí quyển
khoảng 3 – 5 ngày.
Sol khí sulfat vào trong mây làm tăng số lượng hạt trong mây, làm giảm kích
thước của hạt. Tác động mạng lưới là làm tăng phản xạ bức xạ hơn khi không có sol
khí sulfat. Sự ô nhiễm từ các tàu biển làm thay đổi mây thấp ở trên chúng. Trong
các bức ảnh chụp từ vệ tinh khí tượng ta có thể thấy sự thay đổi trong các giọt mây,
bởi sol khí sulfat từ các tàu, như các vết của lớp mây. Thêm vào nữa nó làm mây
tăng khả năng phản xạ bức xạ mặt trời. Sol khí là nguyên nhân làm ô nhiễm mây, nó
làm tăng thời gian tồn tại của mây và phản xạ nhiều hơn bức xạ mặt trời hơn là mây
không bị ô nhiễm.
1.1.2. Sol khí tác động lên hệ thống khí hậu của Trái đất
Nhìn chung, sol khí ảnh hưởng tới khí hậu theo hai cách: ảnh hưởng trực tiếp
bởi phân tán và hấp thụ các tia bức xạ đi vào, và ảnh hưởng gián tiếp như nhân
ngưng kết của mây (CCN) và/hoặc nhân băng (IN), làm thay đổi vi vật lý mây, đặc
tính bức xạ và thời gian tồn tại của mây. Tác động trực tiếp phân tán như các phần
13
tử sulfat làm lạnh hệ thống Trái Đất (cái được gọi là hiệu ứng nhà trắng, nó đối
ngược với hiệu ứng nhà kính tác động bởi CO2, CH4, N2O,…).
Mặt khác các sol khí hấp thụ như Cacbon đen và bụi vô cơ làm nóng Trái đất
bằng cách đốt nóng khí quyển. Sự đốt nóng này quay trở lại cản trở sự ngưng đọng
và là phẳng gradient nhiệt độ, làm giảm ẩm đối lưu và nước trong khí quyển, làm
giảm lượng mây bao phủ, giảm albedo của mây và làm nóng hệ thống Trái đất trong
tương lai. Xu hướng làm ấm Trái đất bởi “cloud-burning” từ sol khí hấp thụ được
gọi là hiệu ứng “semi-direct”. Tác động gián tiếp của sol khí cũng chia ra làm hai
phần: Tác động gián tiếp loại 1, tăng sol khí dẫn đến tăng tập trung các giọt trong
mây và làm giảm kích cỡ hạt trong mây, và kết quả làm tăng albedo của mây (hiệu
ứng albedo của mây); và hiệu ứng gián tiếp loại 2, như đã nói ở trên sự giảm kích
cỡ hạt mây có xu hướng làm giảm giáng thủy, tăng nước lỏng, bởi vậy tăng thời
gian tồn tại của mây, (hiệu ứng tồn tại mây) và độ dày của mây.
Cả hai hiệu ứng trực tiếp và gián tiếp đều làm giảm lượng bức xạ mặt trời tới
bề mặt Trái đất, trong khi đó trường hợp hiệu ứng “semi-direct” làm tăng nhiệt của
cột khí quyển. Tuy nhiên, hiệu ứng gián tiếp không chắc chắn như hiệu ứng trực
tiếp. Các tác động trực tiếp và gián tiếp đều ảnh hưởng tới giáng thủy. Điều này thể
hiện rõ thông qua hiệu ứng “semi-direct” làm biến đổi đặc tính của mây.
Giảm bức xạ bề mặt bởi tác động trực tiếp và gián tiếp của sol khí cũng
giống như là hiệu chỉnh lại chu trình nước thông qua thay thế tích trữ năng lượng bề
mặt, làm giảm lượng bốc hơi và như vậy sẽ làm chậm lại chu trình nước. Hơn nữa,
sol khí còn tác động đến môi trường theo nhiều cách khác nữa.
Các sol khí gây bất lợi cho sức khỏe của con người và làm giảm tầm nhìn bởi
sự phân tán và hấp thụ bức xạ. Sol khí cũng ảnh hưởng tới sự quang hợp và tỉ lệ hấp
thụ cacbon của hệ sinh thái. Thêm vào nữa sulfat và nitrat là nguyên nhân cơ bản
gây nên mưa axit, ảnh hưởng lớn bởi các khu công nghiệp lớn trên toàn thế giới.
14
Hình 1.5. Những cơ chế bức xạ khác nhau của mây gây ra bởi sol khí.
(Đánh giá lần thứ tư của IPCC)
Những điểm nhỏ màu đen tượng trưng cho các phần tử sol khí, các vòng tròn kích
thước lớn hơn là các hạt mây. Những đường thẳng được cho là thành phần bức xạ tới và thành
phần phản xạ lại bức xạ mặt trời, những đường sóng là bức xạ tới mặt đất. Những vòng tròn màu
trắng cho biết số hạt mây (CDNC). Những đám mây không có xáo trộn bao gồm những hạt mây
lớn trong đó chỉ có các phần tử sol khí tự nhiên xuất hiện và trở thành nhân ngưng kết, còn những
đám mây có sự xáo trộn lớn thường chứa đựng một lượng lớn hơn số hạt mây nhỏ, trong đó bao
gồm cả các sol khí có nguồn gốc tự nhiên và nguồn gốc từ con người đóng vai trò là các nhân
ngưng kết. Những đường nét đứt màu xám biểu thị cho mưa.
1.1.2.1. Tác động của sol khí lên nhiệt độ bề mặt
Như đã nói ở trên, đã có nhiều nỗ lực trong định lượng tác động gián tiếp và
trực tiếp sol khí gây ra bởi con người tới RF (Radiative forcing) (Năng lượng bức
xạ tới – Năng lượng bức xạ phát xạ hồng ngoại của Trái Đất).
Một chủ đề liên quan nữa là liệu chứng cứ kinh nghiệm cho thấy hệ thống
khí hậu phản ứng thế nào với RF và liệu dấu vết của xon khí có được ghi lại trong
quan trắc. Khí hậu phản ứng với biểu hiện khí tượng là thay đổi nhiệt độ, gió, giáng
15
thủy và khả năng phân bổ của chúng. Nhìn chung cả tác động trực tiếp và gián tiếp
đều làm giảm nhận năng lượng bức xạ tới bề mặt, là nguyên nhân làm lạnh bề mặt.
Theo nghiên cứu điều tra chứng minh nhiệt độ quan trắc toàn cầu có xu
hướng liên quan tới sol khí và các khí nhà kính, trong các mô hình khí hậu có tính
đến cả sol khí và khí nhà kính đều mô phỏng tốt hơn là mô phỏng chỉ có sol khí
hoặc chỉ có khí nhà kính hoặc không có cả hai. Nhiệt độ hàng ngày giảm trên các
khu công nghiệp, có thể cho là ảnh hưởng cục bộ của sol khí. Xu hướng lạnh đi
đáng kể tìm thấy được ở một vài khu vực ở Trung Quốc, đáng chú ý là ở vịnh
Sichuan, nơi tồn tại lượng lớn sol khí do con người gây ra.
1.1.2.2. Tác động của sol khí lên mây và giáng thủy
Những thay đổi vật lí vĩ mô của mây như độ bao phủ, cấu trúc, độ cao và
những thay đổi vật lý vi mô như kích thước hạt, pha mây có tác động lớn tới khí
hậu. Trong khi trên thực tế nhiều nghiên cứu cho thấy sol khí tác động không nhỏ
đến việc làm thay đổi các quá trình vi vật lý mây. Quan hệ giữa các phần tử sol khí
và mây khá phức tạp và là một mối quan hệ phi tuyến. Kích thước và thành phần
hoá học của sol khí (sulphát, nitơrat, bụi, cacbon hữu cơ và cacbon vô cơ) đóng vai
trò rất quan trọng trong việc kích hoạt và lớn lên của các hạt mây.
a. Quan hệ giữa số lượng sol khí với số hạt mây và kích thước hạt mây
Trên một quy mô vùng, các nghiên cứu thực tế đã chỉ ra rằng các đám cháy
rừng ở vịnh Amazon đưa vào khí quyển một lượng sol khí rất lớn, hệ quả là làm
tăng số lượng hạt mây và làm giảm kích thước của các hạt mây này. Công thức
tương quan giữa số lượng sol khí và số lượng hạt mây như sau: Nd ≈ (Na)b. Trong
đó Nd là mật độ hạt mây, còn Na là số sol khí, b là tham số thay đổi từ 0.06 -0.48
phụ thuộc vào tính chất của sol khí.
b. Các cơ chế tác động của sol khí tới mây và giáng thủy
Sol khí có thể tương tác với mây và giáng thủy bằng nhiều cách, như là trở
thành nhân ngưng kết hoặc nhân băng hay đóng vai trò là những phần tử hấp thụ
16
năng lượng mặt trời và phân bổ lại nguồn năng lượng nhiệt này trong các lớp mây.
Chúng có thể được chia nhỏ thành các quá trình đóng góp khác nhau, như được tóm
tắt trong bảng 1.1 và chỉ ra trong hình 1.7.
* Sol khí tác động tới độ phản xạ của mây và thời gian tồn tại của mây thông
qua quá trình phân bổ của thành phần nước lỏng trong mây (có thể là mây lỏng,
mây băng hay là mây có sự hoà trộn giữa pha lỏng và pha băng).
- Số sol khí càng nhiều số hạt mây tăng sẽ có nhiều hơn các hạt mây để
phản xạ lại bức xạ mặt trời độ phản xạ của mây tăng.
- Số sol khí càng nhiều số hạt mây tăng kích thước hạt mây nhỏ đi
làm giảm sự hình thành giáng thủy dẫn đến kéo dài thời gian tồn tại của mây.
* Tác động bán trực cho thấy sự hấp thụ bức xạ mặt trời và phản xạ lại bức
xạ đó của các phần tử hình
thành sau các vụ cháy, đã dẫn
đến hệ quả là làm nóng khối
không khí và làm thay đổi độ
ổn định khí quyển. Nó cũng
gây ra sự bay hơi của các hạt
mây.
* Tác động đóng băng
gián tiếp: Trong các đám mây
có lẫn cả pha băng và pha
Hình 1.6. Tác động của mật độ hạt mây đến
độ phản xạ của mây (albedo)
(Đánh giá lần thứ ba của IPCC)
lỏng, khi có sự gia tăng của sol khí sẽ làm gia tăng số lượng những hạt tinh thể băng
quá bão hòa, từ đó nhanh chóng làm tăng kích thước giáng thủy, và nhiều khả năng
mây không giáng thủy được chuyển thành mây giáng thủy.
* Tác động nhiệt động lực gây ra sự trì hoãn đóng băng của các hạt nhỏ
tạo thành những đám mây siêu lạnh với nhiệt độ rất thấp. Thêm vào đó, sol khí làm
17
thay đổi hiệu ứng bức xạ tại đỉnh khí quyển và làm thay đổi năng lượng tới bề mặt
thông qua các quá trình đối lưu, bốc hơi và giáng thủy.
18
Bảng 1.1.a. Những tác động gián tiếp khác nhau của sol khí và hiệu ứng biến đổi thông lượng
bức xạ tại đỉnh khí quyển.
Mức
Biến đổi
Tác động
Loại mây
b/xạ
Cường
độ
tại đỉnh
độ
nghiên
Quá trình
cứu
KQ
T/động đến
độ phản xạ
Với cùng một lượng nước lỏng hoặc
Tất cả
của mây
tồn tại của
Các hạt mây nhỏ làm giảm lượng
Tất cả
giáng thuỷ dẫn đến kéo dài thời gian
Âm
tồn tại của mây
mây
Trung
bình
Thấp
Trung
Rất
bình
thấp
Sự hấp thụ bức xạ mặt trời của sol
Tác động
bán trực
Âm
thì độ phản xạ càng lớn
T/động đến
thời gian
băng trong mây, càng nhiều hạt mây
Tất cả
tiếp
khí tác động đến độ ổn định và năng
Dương
lượng tới bề mặt, và có thể dẫn tới
hoặc âm
Nhỏ
Rất
thấp
sự bay hơi của các phần tử mây.
T/động gián
Mây hỗn
tiếp gây
hợp (lỏng
đóng băng
và băng)
T/động
Mây hỗn
nhiệt động
hợp (lỏng
lực
và băng)
Số lượng các nhân băng tăng lên
làm gia tăng hiệu suất giáng thuỷ.
Dương
Trung
Rất
bình
thấp
Các phần tử mây nhỏ đi làm trì
hoãn quá trình đóng băng tạo thành
Dương
Trung
Rất
những đám mây siêu lạnh với nhiệt
hoặc âm
bình
thấp
độ rất thấp.
Bảng 1.1.b. Những tác động gián tiếp khác nhau của sol khí và ảnh hưởng của nó tới bức xạ
sóng ngắn tại bề mặt đất (cột 2 đến cột 4) và tới giáng thuỷ (cột 5 đến cột 7)
Mức độ
Thông
Tác động
lượng
b/xạ tới bề
Cường độ
nghiên cứu
19
Hiệu
Cường
ứng
độ
giáng
Mức
độ
nghiên
mặt
thuỷ
cứu
T/động đến
độ phản xạ
Âm
Trung bình
Thấp
n.a.
n.a.
Âm
Trung bình
Rất thấp
Âm
Nhỏ
Âm
Lớn
Rất thấp
Âm
Lớn
Dương
Trung bình
Rất thấp
Dương
Trung bình
Rất thấp
n.a.
của mây
T/động đến
t/gian tồn
tại của mây
T/động bán
trực tiếp
T/động gián
tiếp gây
nhiệt động
lực
Dương
hoặc âm
20
thấp
Rất
thấp
Trung
Rất
bình
thấp
Dương
Trung
Rất
hoặc âm
bình
thấp
đóng băng
T/động
Rất
- Xem thêm -