Tầng đối lưu

Tầng đối lưu là lớp khí quyển nằm thấp nhất trên một số hành tinh. Hầu hết các hiện tượng thời tiết mà chúng ta quen thuộc xảy ra tại tầng đối lưu. Tầng này đặc trưng bởi sự đối lưu của không khí nóng từ mặt đất lên cao và nguội dần. Hiện tượng này đã đặt tên cho tầng này.

Trên hành tinh Trái Đất

Tầng đối lưu bắt đầu từ mặt đất và mở rộng lên khoảng 20 km (12 dặm) ở vùng nhiệt đới, giảm xuống khoảng 11 km ở các vĩ độ trung bình và dưới 7 km (4 dặm) ở vùng cực vào mùa hè, còn vào mùa đông thì sự thay đổi không rõ ràng. Lớp khí quyển này chiếm khoảng 80% khối lượng toàn bộ khí quyển, bao gồm gần như toàn bộ hơi nước và xon khí. Trong tầng đối lưu, không khí liên tục chuyển động và đây là tầng có mật độ không khí lớn nhất của khí quyển Trái Đất. Nitơ và oxy là các khí chính có mặt trong tầng này. Tầng đối lưu nằm ngay dưới tầng bình lưu. Phần thấp nhất của tầng đối lưu, nơi có sự ma sát với mặt đất ảnh hưởng đến luồng không khí, là lớp ranh giới hành tinh. Lớp này thường dày từ vài trăm mét đến 2 km (1,2 dặm), tùy thuộc vào địa hình và thời điểm trong ngày. Ranh giới giữa tầng đối lưu và tầng bình lưu, gọi là khoảng lặng đối lưu, có sự nghịch chuyển nhiệt độ.

Tầng đối lưu được chia thành 6 khu vực luồng chuyển động theo đới, gọi là các quyển hoàn lưu. Các quyển hoàn lưu này chịu trách nhiệm cho hoàn lưu khí quyển và tạo ra các hướng gió chính.

Sự thay đổi nhiệt độ trong tầng đối lưu chủ yếu do bức xạ nhiệt từ mặt đất phản xạ trở lại không khí. Dù tia nắng Mặt Trời tiếp xúc với không khí ở trên cao trước, không khí khá trong suốt nên hấp thụ rất ít năng lượng. Đa phần năng lượng Mặt Trời bị hấp thụ mạnh bởi mặt đất, làm nóng mặt đất hơn không khí phía trên. Mặt đất nóng truyền nhiệt trực tiếp cho không khí gần bề mặt; không khí gần mặt đất nóng lên và nở ra, nhẹ hơn không khí lạnh phía trên và bay lên nhờ lực đẩy Ácsimét. Khi không khí nóng bay lên, nó giãn nở, thể tích tăng và nhiệt độ giảm (tương tự như hoạt động của một số tủ lạnh, máy điều hòa). Càng lên cao, không khí càng nguội. Khi xa mặt đất, nhiệt đối lưu giảm và không khí trở nên lạnh hơn. Ở độ cao lớn hơn, không khí loãng hơn và giữ nhiệt kém hơn, khiến nhiệt bị phân tán. Mỗi khi độ cao tăng 1.000 mét, nhiệt độ giảm trung bình khoảng 6,5°C.

Mặc dù xu hướng chung là nhiệt độ giảm theo độ cao trong tầng đối lưu, đôi khi có ngoại lệ gọi là hiện tượng nghịch nhiệt. Ví dụ, ở Nam Cực, nhiệt độ tăng lên khi cao hơn. Một ví dụ khác là xung quanh Hà Nội vào đầu mùa đông, có những đợt nghịch nhiệt về đêm, thường xảy ra vài ngày sau khi gió mùa đông bắc xuất hiện và kéo dài cho đến khi gió thịnh hành chuyển sang hướng đông nam và lặp lại khi có đợt gió mùa mới. Trong điều kiện nghịch nhiệt, khí thải từ công nghiệp và nông nghiệp bị ứ đọng ở tầng thấp, không thể phân tán vì chúng nặng hơn và lạnh hơn các lớp khí trên.

Đỉnh của tầng đối lưu đánh dấu sự chuyển tiếp sang tầng bình lưu. Nhiệt độ ở trên đỉnh tầng đối lưu tăng chậm dần cho đến độ cao khoảng 50 km. Thông thường, các máy bay phản lực bay gần phần trên cùng của tầng đối lưu. Hiệu ứng nhà kính cũng xảy ra trong lớp trên cùng của tầng đối lưu.

Áp suất và cấu trúc nhiệt độ

Thành phần hóa học của tầng đối lưu chủ yếu đồng nhất, trừ hơi nước là ngoại lệ đáng kể. Hơi nước chủ yếu đến từ mặt đất qua quá trình bốc hơi và thoát hơi nước. Khi độ cao tăng, nhiệt độ không khí giảm và áp suất hơi bão hòa giảm mạnh, dẫn đến lượng hơi nước trong không khí giảm theo độ cao. Do đó, tỷ lệ hơi nước lớn nhất gần mặt đất và giảm dần khi lên cao.

Áp suất khí quyển cao nhất tại mực nước biển và giảm dần khi độ cao tăng. Nguyên nhân là do khí quyển gần như ở trạng thái cân bằng thủy tĩnh, nên áp suất tương ứng với trọng lượng của lớp không khí phía trên điểm đang xét. Sự thay đổi áp suất theo độ cao có thể được tính toán dựa trên mật độ bằng phương trình thủy tĩnh.

$\frac{dp}{dz}=-<!--\; -\; -->\mathrm{\rho <!--\; \rho \; -->}{g}_n=-<!--\; -\; -->\frac{mpg}{RT}$

Trong đó:

• gn là gia tốc trọng trường (9,80665 m/s²)
• ρ là mật độ không khí
• z là độ cao
• p là áp suất
• R là hằng số khí (8,314472(15) J • K • mol⁻¹)
• T là nhiệt độ, tính theo kelvin
• m là khối lượng phân tử trung bình

Vì nhiệt độ cũng thay đổi theo độ cao, nên cần một phương trình bổ sung để xác định áp suất theo độ cao, sẽ được trình bày trong phần tiếp theo.

Trong tầng đối lưu, nhiệt độ thường giảm khi độ cao tăng. Mức độ giảm nhiệt, hay tỷ lệ giảm nhiệt độ, được ký hiệu là $-<!--\; -\; -->dT/dz$. Sự giảm nhiệt này xảy ra do các yếu tố sau:

Khi khối khí dâng lên, nó giãn nở vì áp suất giảm ở độ cao lớn hơn. Quá trình giãn nở làm cho khối khí đẩy vào không khí xung quanh, thực hiện công cơ học. Tuy nhiên, do khối khí không thu được nhiệt từ môi trường xung quanh (vì dẫn nhiệt kém), nó mất năng lượng và nhiệt độ giảm. Ngược lại, các khối khí hạ xuống sẽ nóng lên khi chúng nén lại.

Vì sự trao đổi nhiệt dQ liên quan đến thay đổi entropy dS theo công thức dQ = T • dS, phương trình mô tả nhiệt độ như một hàm số của độ cao trong khí quyển được đưa ra là

$\frac{dS}{dz}=0$

{\displaystyle {\frac {dS}{dz}}=0}

Trong đó S đại diện cho entropy. Tỷ lệ giảm nhiệt độ theo độ cao trong các điều kiện như vậy gọi là tỷ lệ giảm nhiệt độ đoạn nhiệt.

Đối với không khí khô, gần giống khí lý tưởng, phương trình giảm nhiệt cho khí lý tưởng là

$p\left(z\right)T(z{)}^{-<!--\; -\; -->\frac{\mathrm{\gamma <!--\; \gamma \; -->}}{\mathrm{\gamma <!--\; \gamma \; -->}-<!--\; -\; -->1}}=hangso$

Trong đó $\mathrm{\gamma <!--\; \gamma \; -->}$ là suất nhiệt dung ($\mathrm{\gamma <!--\; \gamma \; -->}$ = 1,4 cho không khí) được áp dụng. Kết hợp với phương trình áp suất, ta có tỷ lệ giảm nhiệt độ đoạn nhiệt khô.

$\frac{dT}{dz}=-<!--\; -\; -->\frac{mg}{R}\frac{\mathrm{\gamma <!--\; \gamma \; -->}-<!--\; -\; -->1}{\mathrm{\gamma <!--\; \gamma \; -->}}=-<!--\; -\; -->9,8^{\circ <!--\; \circ \; -->}C/km$

Khi không khí chứa hơi nước, quá trình làm lạnh có thể gây ngưng tụ và làm thay đổi trạng thái của không khí so với khí lý tưởng. Nếu không khí đạt đến bão hòa áp suất hơi, tỷ lệ giảm nhiệt độ theo độ cao được gọi là Tỷ lệ giảm nhiệt độ đoạn nhiệt bão hòa. Tỷ lệ thực tế giảm nhiệt độ theo độ cao được gọi là Tỷ lệ giảm nhiệt độ môi trường.

Thực tế cho thấy, trong tầng đối lưu, tỷ lệ giảm nhiệt độ môi trường trung bình là khoảng 6,5°C cho mỗi km (1.000 m hoặc 3,567°F trên mỗi 1.000 ft) khi tăng độ cao.

Tỷ lệ giảm nhiệt độ môi trường ($dT/dz$) thường không bằng tỷ lệ giảm nhiệt độ đoạn nhiệt (hoặc tương ứng với $dS/dz\ne <!--\; \ne \; -->0$). Nếu không khí phía trên ấm hơn so với dự đoán từ tỷ lệ giảm nhiệt độ đoạn nhiệt ($dS/dz>0$), khi khối khí bốc lên và giãn nở, nó sẽ đạt tới độ cao mới với nhiệt độ thấp hơn và có mật độ lớn hơn so với môi trường xung quanh, dẫn đến việc khối khí sẽ chìm xuống và không khí trở nên ổn định. Ngược lại, nếu không khí phía trên lạnh hơn so với tỷ lệ giảm nhiệt độ đoạn nhiệt (), khối khí bốc lên sẽ có nhiệt độ cao hơn và mật độ thấp hơn so với môi trường, dẫn đến việc khối khí tiếp tục gia tốc lên trên.

Tại các vĩ độ trung bình, nhiệt độ giảm từ khoảng 15°C ở mực nước biển xuống khoảng -55°C tại độ cao bắt đầu tầng đối lưu. Ở các vùng cực, tầng đối lưu mỏng hơn, nhiệt độ chỉ giảm đến khoảng -45°C, trong khi tại xích đạo, nhiệt độ ở đỉnh tầng đối lưu có thể đạt tới -75°C.

Tầng đối lưu

Khoảng lặng đối lưu là vùng phân cách giữa tầng đối lưu và tầng bình lưu.

Việc đo nhiệt độ thay đổi theo độ cao ở tầng đối lưu và tầng bình lưu giúp xác định vị trí của khoảng lặng đối lưu. Nhiệt độ giảm theo độ cao trong tầng đối lưu, nhưng ở tầng bình lưu, nhiệt độ giữ ổn định rồi sau đó tăng lên. Vùng khí quyển nơi tỷ lệ giảm nhiệt đổi dấu từ dương (tầng đối lưu) sang âm (tầng bình lưu) được gọi là khoảng lặng đối lưu. Do đó, khoảng lặng đối lưu là một lớp nghịch nhiệt với rất ít sự pha trộn giữa hai tầng khí quyển.

Trên Sao Hỏa

Trên Sao Hỏa, tầng đối lưu có chiều cao lên đến 40 km với nhiệt độ giảm dần theo độ cao. Tại ranh giới giữa tầng đối lưu và tầng bình lưu, nhiệt độ tương đối ổn định khoảng 120 K. Sự hiện diện của bụi lớn trong khí quyển Sao Hỏa đã đẩy cao tầng đối lưu so với khí quyển Trái Đất, chỉ khoảng 10 đến 20 km.

Trong tầng đối lưu của Sao Hỏa, hai yếu tố chính ảnh hưởng đến cấu trúc khí quyển là CO₂ và bụi. CO₂ phát tán nhanh nhiệt ra không khí, làm nguội khí quyển vào ban đêm dưới điều kiện nhiệt độ của Sao Hỏa. Bụi hấp thụ năng lượng Mặt Trời và phân phối nhiệt đều trong tầng đối lưu. Trong các cơn bão bụi, tác động của bụi tăng lên, gây ra sự biến đổi nhiệt độ ngày và đêm rõ rệt.

Trên Sao Hỏa, sự thay đổi nhiệt độ ở tầng đối lưu theo chu kỳ ngày đêm đều đặn, đồng bộ với vị trí của Mặt Trời, đôi khi được gọi là 'thủy triều nhiệt'.

Trên Sao Mộc

Khí quyển Sao Mộc có tầng đối lưu ở phần thấp nhất. Sự thay đổi nhiệt độ theo chiều dọc ở Sao Mộc tương tự như ở Trái Đất. Nhiệt độ giảm với độ cao trong tầng đối lưu cho đến khi đạt mức thấp nhất tại khoảng lặng đối lưu. Trên Sao Mộc, khoảng lặng đối lưu nằm khoảng 50 km trên các đám mây nhìn thấy (ở áp suất 1 bar), với áp suất và nhiệt độ là 0,1 bar và 110 K. Trên tầng đối lưu, từ tầng bình lưu trở lên, nhiệt độ lại tăng.

Khoảng lặng đối lưu của Sao Mộc có cấu trúc mây phức tạp. Các đám mây ở trên cao, trong vùng áp suất từ 0,6 đến 0,9 bar, chứa băng amonia. Dưới những đám mây băng amonia, có thể có những đám mây dày hơn chứa amoni hydro sulfide hoặc amoni sulfide (tại áp suất 1 đến 2 bar) và nước (tại áp suất 3 đến 7 bar). Không có mây mêtan do nhiệt độ quá cao để mêtan có thể ngưng tụ. Những đám mây hơi nước tạo thành tầng mây dày đặc nhất và có ảnh hưởng lớn nhất đến động lực học của khí quyển, do nhiệt ngưng tụ cao của nước và hàm lượng nước cao hơn so với amonia và hydro sulfide.

• Khí quyển của Trái Đất
• Khí quyển trên Sao Hỏa
• Khí quyển của Sao Mộc

Tham khảo thêm

(tiếng Việt)

• Nghịch nhiệt và ô nhiễm không khí tại Hà Nội

(tiếng Anh)

• Thành phần khí quyển từ khoa Vật lý, Đại học Tennessee.
• Phản ứng hóa học trong khí quyển
• Troposphere - Blog Thời tiết Lưu trữ ngày 14-12-2005 tại Wayback Machine. Đây là blog cung cấp thông tin về thời tiết, địa chất và môi trường trên toàn cầu.
• Cấu trúc thẳng đứng của khí quyển Lưu trữ ngày 08-01-2009 tại Wayback Machine

Ghi chú quan trọng

Nguồn tham khảo