Nói một chút về thời tiết...

26

HÃY NÓI CHUYỆN MỘT CHÚT
GIỚI THIỆU THỜI TIẾT…

Ứng viên Khoa học Vật lý và Toán học
V. M. BUVNOV

Ngày xưa, sưởi ấm thích hợp, người ta quy định phải nói về thời tiết khi gặp ai đó lần đầu tiên. Chúng ta cũng hãy nói về nó, cụ thể là về mặt đó của vấn đề liên quan đến sự chuyển động của khí quyển với tư cách là một vật thể vật lý nào đó; xét cho cùng, thời tiết ở bất kỳ đâu trên hành tinh của chúng ta đều được quyết định bởi sự chuyển động của các khối khí quyển. Tuy nhiên, chuyển động như vậy phức tạp đến mức không thể dự đoán chính xác hoạt động của khí quyển trong thời gian dài. Để có được dự báo thời tiết đủ khả năng đáp ứng yêu cầu cần phải phát triển hài hòa hai hướng. Hướng đầu tiên là tăng tần suất thay đổi các thông số cơ bản của khí quyển (nhiệt độ, áp suất, độ ẩm, tốc độ gió, v.v.) và giảm khoảng cách giữa các điểm có thông tin này. Hướng thứ hai, là đối tượng nghiên cứu của vật lý khí quyển, là nghiên cứu các định luật vật lý cơ bản xác định các quá trình khí quyển.

mô hình Hadley

Khi xem xét các vật thể rất phức tạp (và bầu khí quyển chắc chắn thuộc về những vật thể đó), các nhà vật lý phải sử dụng các mô hình mang tính xây dựng và trong khuôn khổ mô hình này, hãy xem xét hành vi của vật thể. Việc chuyển đổi từ đối tượng sang mô hình là bước quan trọng nhất của bất kỳ nghiên cứu nào. Một mặt, mô hình phải phản ánh được đặc điểm của đối tượng mà chúng ta đang nghiên cứu, tức là phải đáp ứng được các dữ liệu thực nghiệm và tự nhiên; mặt khác, nó phải đủ đơn giản để hiểu và mô tả lý thuyết. Mô hình đơn giản nhất thỏa mãn những yêu cầu này khi xem xét các chuyển động khí quyển quy mô lớn là gì?

Trước hết, mô hình phải tính đến các yếu tố chính quyết định những chuyển động này.

Yếu tố đầu tiên phải được gọi là cường độ tương tác hấp dẫn. Lực này điều chỉnh phần lớn thành phần khí của khí quyển và quyết định khả năng giữ lại bầu khí quyển của hành tinh. Khối lượng của hành tinh càng lớn thì càng dễ giữ lại các loại khí nhẹ; với khối lượng thấp, vật thể quay có thể mất hoàn toàn bầu khí quyển (có lẽ đây là lý do tại sao Mặt trăng không có bầu khí quyển).

Yếu tố quan trọng thứ hai là hành tinh này tiếp xúc với bức xạ mặt trời. Lượng năng lượng được cung cấp cho hành tinh từ Mặt trời phụ thuộc vào thời gian trong ngày, cũng như độ nghiêng của quỹ đạo (mùa đông - mùa hè, đường xích đạo - sọc). Trung bình mỗi mét vuông bề mặt trái đất nhận được 1372 J năng lượng từ Mặt trời mỗi ngày. (Biết bán kính Trái Đất, dễ dàng tính được tổng dòng năng lượng đến từ Mặt Trời.) Các tia chiếu xuống Trái Đất bị phản xạ một phần; Tỷ lệ giữa bức xạ phản xạ và bức xạ bức xạ được gọi là suất phản chiếu bề mặt. Bề mặt Albedo, tùy thuộc vào loại bề mặt, lấy giá trị từ 0,1-0,15 đối với đại dương đến 0,6-0,8 đối với tuyết thuần; Albedo trung bình của Trái đất là khoảng 0,3. Càng nhiều năng lượng đến một nơi nhất định trên hành tinh thì nó càng nóng lên. Khi không khí nóng lên, nó vỡ ra và rơi xuống, kết quả là nhiệt độ cao xuất hiện trong khí quyển.

28

làm rõ ý nghĩa của triết gia Immanuel Kant (1756) và John Dalton (1793) mà không cần biết về tác phẩm của Hadley. Đương nhiên, trong 250 năm qua, kiến ​​thức của chúng ta về bầu khí quyển tối đã thay đổi rất nhiều, và liên quan đến điều này, sơ đồ hoàn lưu chung (hình 2 và 3) đã nhiều lần được thay đổi và bổ sung, nhưng ngay cả bây giờ nó vẫn chưa hoàn hảo.

Lốc xoáy và xoáy nghịch

Mỗi lần, trong khi đóng vai trò dự báo thời tiết, chúng tôi đã tìm hiểu về sự chuyển động hoặc tương tác của lốc xoáy và xoáy thuận, tức là các xoáy được hình thành, kích thước của chúng tương ứng với km. Làm thế nào để liên hệ sự hiện diện của các thành tạo này với sự hoàn lưu chung của khí quyển? Hóa ra, tùy thuộc vào định nghĩa cơ bản của các tham số (tốc độ quay của Trái đất, chênh lệch nhiệt độ theo hướng xích đạo - sọc, v.v.), một ô đối lưu có thể ổn định - và trong trường hợp này, hoàn lưu Hadley phát triển - hoặc không ổn định, như được quan sát trên Trái đất, nơi hình thành chuyển động sóng, bao gồm một số xoáy khác nhau. Năm đến sáu xoáy lớn thường được quan sát thấy trong khí quyển. Nếu tất cả các chuyển động xoáy được tính trung bình trong một khoảng thời gian đủ lớn thì việc lấy trung bình của chuyển động sẽ tương tự như hoàn lưu đới mà chúng ta đã xem xét.

Cách dễ nhất để xem xét sự hình thành các xoáy quy mô lớn là thực hiện thí nghiệm trong phòng thí nghiệm. Hai trụ kim loại được lấy và lắp đặt bằng gỗ thông. Hình trụ bên trong tương ứng với cực - nó được làm mát, hình trụ bên ngoài tương ứng với xích đạo - nó được làm nóng. Có chất lỏng giữa các xi lanh. Nếu hệ quay với vận tốc góc không đổi thì có thể quan sát thấy nhiều dạng chuyển động khác nhau trong đó. Ở tốc độ xoáy thấp, các hạt di chuyển từ hình trụ bên ngoài vào hình trụ bên trong theo hình xoắn ốc, do đó chất lỏng, so với chất đứng yên, được quan sát là quay tròn hơn hình trụ (hình 4). Nếu mô hình xoáy tăng lên, nó sẽ liên tục được quan sát trên bản đồ thời tiết, đặc biệt là ở Nam bán cầu, trong đó ảnh hưởng của vật chất không còn tồn tại, như ở vùng bị sụp đổ. Tuy nhiên, trong số các bản đồ như vậy, hình 6 được hiển thị.

29

Nếu sơ đồ cơ bản về sự hình thành các chu kỳ và phản chu kỳ khá đơn giản, thì mô tả chi tiết về chuyển động của chúng sẽ kém phát triển, chủ yếu là do có quá nhiều yếu tố quyết định chuyển động này. Cho đến nay, chúng ta đã xem xét bầu không khí lý tưởng hóa và bây giờ chúng ta sẽ xem xét khả năng ảnh hưởng của vật chất đến chu trình chung của khí quyển. Các lục địa cao hơn đại dương và các dãy núi cao đặc biệt làm thay đổi sự chuyển động của khí quyển. Ngoài ra, nhiệt độ trung bình của vật chất và đại dương khác nhau rất nhiều, vì đại dương trơ ​​hơn, chúng nóng lên chậm hơn nhưng cũng nguội đi chậm hơn. hình 7 trình bày nhiệt độ bề mặt trung bình hàng năm và trung bình ở vĩ độ 55° ở bán cầu bắc trong các khoảng thời gian khác nhau trong năm. Sự chênh lệch nhiệt độ giữa vật chất và đại dương vào mùa đông chỉ nhỏ hơn một chút so với chênh lệch nhiệt độ giữa vùng cực và vùng nhiệt đới. Sự thiếu hụt nhiệt này và ảnh hưởng của sự giảm nhẹ dẫn đến thực tế là các xoáy lớn ngừng chuyển động theo sóng và xoáy có thể không thay đổi vị trí của nó trong vài tuần. Trạng thái khí quyển này được gọi là “tình trạng tắc nghẽn” và dẫn đến nhiều hậu quả thảm khốc, chủ yếu là hạn hán.

Hiệu ứng nhà kính và mùa đông hạt nhân

Các yếu tố bên ngoài quyết định sự chuyển động của khí quyển trên thực tế không thay đổi theo thời gian, nhưng những thay đổi xảy ra trong khí quyển, chủ yếu do tác động của con người gây ra, về cơ bản có thể thay đổi tác động tổng thể của các yếu tố này. Chúng ta hãy xem xét điều này bằng ví dụ về cái gọi là hiệu ứng nhà kính và hiện tượng “mùa đông hạt nhân”.

Hiệu ứng nhà kính là gì? Như bạn đã biết, tất cả các vật thể được làm nóng đều tỏa nhiệt, nhiệt độ của vật thể càng cao thì bước sóng của bức xạ nhiệt này càng ngắn. Từ Mặt Trời tới

Trái đất nhận được bức xạ nhiệt sóng ngắn, trong khi Trái đất phát ra bức xạ nhiệt sóng dài. Nếu bầu khí quyển truyền các loại bức xạ này như nhau thì một trạng thái cân bằng nhiệt nhất định sẽ được thiết lập. Tuy nhiên, bức xạ quay vòng ngắn bị khí quyển hấp thụ yếu, trong khi bức xạ quay vòng dài bị hấp thụ mạnh. Kết quả là nhiệt độ khí quyển cao hơn dự kiến ​​mà không tính đến sự hấp thụ trong khí quyển. Hành động của con người có thể ảnh hưởng đến sự thay đổi nhiệt độ khí quyển như thế nào?

Bức xạ nhiệt của Trái đất chủ yếu được hấp thụ bởi hơi nước, mây và carbon dioxide. Trong 150 năm qua, nồng độ tương đối của CO₂ trong khí quyển đã tăng 25%, đạt 345 phân tử trên 1 triệu phân tử không khí. Bởi vì

31

Tia sét trong pha lê

(Để bắt đầu, xem trang 12)

Heterolasers được sản xuất với số lượng hàng triệu đơn vị mỗi năm và việc sử dụng chúng đã cách mạng hóa sự hiểu biết đã có của chúng ta trong nhiều lĩnh vực kỹ thuật. Một đường dây cáp quang laser kết nối trong một giây để truyền một lượng thông tin kỹ thuật số lớn đến mức có thể mã hóa tất cả 30 tập BSE! Khả năng nạp đĩa laser ổn định, có thể tích bằng một chiếc bàn làm việc cạnh giường ngủ và có thể “chứa” hơn một triệu cuốn sách. Các mạch tích hợp quang học được sử dụng bởi các máy phát laser dị chất đang được phát triển nhằm hướng tới các siêu máy tính, chúng sẽ mạnh hơn máy tính hàng nghìn lần.

Chà, tại sao lại là “sét trong pha lê”? Có, bởi vì mật độ dòng điện trong đèn LED và tia laser có thể cao hơn vài lần, đôi khi hàng chục lần, so với mật độ dòng điện trong một tia sét. Điều này có nghĩa là hàng chục tia sáng siêu nhỏ lấp lánh trong tinh thể, chỉ có điều chúng được điều khiển bởi ý chí của con người và không phục vụ sự hủy diệt: ánh sáng nhấp nháy của chúng thổi sức sống vào quang điện tử.

Bất cứ ai hôm nay hoặc ngày mai cống hiến hết mình cho đèn LED và laser sẽ may mắn được nghiên cứu về chủ đề ảnh hưởng vật lý và kỹ thuật ở trạng thái rắn. Thiết bị đã được tạo ra để có thể phát triển các cấu trúc bán dẫn trong đó thành phần và tính chất thay đổi qua từng lớp đơn nguyên tử. Người tạo ra các siêu mạng như vậy, Popinet, có “sức mạnh của boron” - anh ta có thể tùy ý kiểm soát số phận của từng electron: “đặt” một chiếc vào “giếng lượng tử”, “treo” một chiếc khác vào “hộp lượng tử” và để chiếc thứ ba liên tục “đi” khắp tinh thể. Nhưng… làm điều này thú vị hơn là viết về nó. Hãy tin tôi. Tốt hơn hết, hãy lớn lên và tự kiểm tra.