Tải bản đầy đủ

Tài liệu Luận văn thạc sĩ : Nghiên cứu, đánh giá các sol khí sunfat, cacbon đen và cacbon hữu cơ ảnh hưởng tới nhiệt độ và lượng mưa khu vực potx


LUẬN VĂN THẠC SỸ

NGHIÊN CỨU, ĐÁNH GIÁ CÁC
SOL KHÍ SUNFAT, CACBON
ĐEN VÀ CACBON HỮU CƠ ẢNH
HƯỞNG TỚI NHIỆT ĐỘ VÀ
LƯỢNG MƯA KHU VỰC


1

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!
2

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.

Sơ đồ bức xạ 34

1.2.4.2.

Mô hình bề mặt đất 35

1.2.4.3.

Lớp biên hành tinh 36

1.2.4.4.

Sơ đồ giáng thủy đối lưu 37

1.2.4.5.

Sơ đồ giáng thủy qui mô lớn 37

1.2.4.6.

Tham số hóa thông lượng đại dương 38

1.2.4.7.

Sơ đồ Gradient khí áp 38

1.2.4.8.

Mô hình hồ 38

3

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



4

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
5

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 P
autocv
, 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
6

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 (
0
C), 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
7

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

8

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.
9

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)
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
suốt mùa đông ở các khu vực cực,
10

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 SO
2
, 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 SO
2
từ đám mây được chuyển đổi thành H
2
SO
4
. Axit H
2
SO
4
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 SO
2
, NO
x
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
11

Hình 1.2. Sol khí núi lửa
(Tham khảo trên báo Science Daily)
tiền chất khí (nguồn thứ hai), đó là các phần tử khí chuyển đổi đã nói ở trên (SO
2
,
NO
x
, 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 SO
2
, sau
đó chuyển đổi
thành giọt axit
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
12

Hình 1.3. Bụi sa mạc
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, STS-
64, 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
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.
13

Hình 1.4. Sol khí tạo bởi con người
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
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
14

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 CO
2
, CH
4
, N
2
O,…).
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.
15


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
16

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
17

Hình 1.6. Tác động của mật độ hạt mây đến
độ phản xạ của mây (albedo)
(Đánh giá lần thứ ba của IPCC)
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
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

18

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.
19

Bảng 1.1.a. Những tác động gián tiếp khác nhau của sol khí và hiệu ứng biến đổi thông lư
ợng
bức xạ tại đỉnh khí quyển.
Tác động Loại mây Quá trình
Biến đổi
b/xạ
tại đỉnh
KQ
Cường
độ
Mức
độ
nghiên
cứu
T/động đến
độ phản xạ
của mây
Tất cả
Với cùng một lượng nước lỏng hoặc
băng trong mây, càng nhiều hạt mây
thì độ phản xạ càng lớn
Âm
Trung
bình
Thấp
T/động đến
thời gian
tồn tại của
mây
Tất cả
Các hạt mây nhỏ làm giảm lượng
giáng thuỷ dẫn đến kéo dài thời gian
tồn tại của mây
Âm
Trung
bình
Rất
thấp
Tác động
bán trực
tiếp
Tất cả
Sự hấp thụ bức xạ mặt trời của sol
khí tác động đến độ ổn định và năng
lượng tới bề mặt, và có thể dẫn tới
sự bay hơi của các phần tử mây.
Dương
hoặc âm
Nhỏ
Rất
thấp
T/động gián
tiếp gây
đóng băng
Mây hỗn
hợp (lỏng
và băng)
Số lượng các nhân băng tăng lên
làm gia tăng hiệu suất giáng thuỷ.
Dương
Trung
bình
Rất
thấp
T/động
nhiệt động
lực
Mây hỗn
hợp (lỏng
và băng)
Các phần tử mây nhỏ đi làm trì
hoãn quá trình đóng băng tạo thành
những đám mây siêu lạnh với nhiệt
độ rất thấp.
Dương
hoặc âm
Trung
bình
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)
Tác động
Thông
lượng
b/xạ tới bề
Cường độ
Mức độ
nghiên cứu
Hiệu
ứng
giáng
Cường
độ
Mức
độ
nghiên
20


mặt thuỷ cứu
T/động đến
độ phản xạ
của mây
Âm Trung bình Thấp n.a. n.a. n.a.
T/động đến
t/gian tồn
tại của mây
Âm Trung bình Rất thấp Âm Nhỏ
Rất
thấp
T/động bán
trực tiếp
Âm Lớn Rất thấp Âm Lớn
Rất
thấp
T/động gián
tiếp gây
đóng băng
Dương Trung bình Rất thấp Dương
Trung
bình
Rất
thấp
T/động
nhiệt động
lực
Dương
hoặc âm
Trung bình Rất thấp
Dương
hoặc âm
Trung
bình
Rất
thấp
21

Hình 1.7. Mô tả những tác động khác nhau của sol khí đã được trình bày trong bảng 1.1
(Đánh giá lần thứ tư của IPCC)

22

c. Tác động của sol khí tới mây nước. Các hạt nhân ngưng kết kích thước lớn
Từ trạng thái hơi nước, nhân ngưng kết đồng nhất sẽ giúp tạo thành những
hạt nước lỏng, tuy nhiên trong điều kiện của khí quyển có nhiều các sol khí thì điều
này khó có thể xảy ra. Thay vào đó là quá trình hơi nước đọng lại trên các phần tử
sol khí – các nhân ngưng kết bất đồng nhất.
Việc con người làm gia tăng số lượng sol khí sẽ làm thay đổi tính chất bức
xạ của mây và do đó làm thay đổi khí hậu. Nhiều nhân ngưng kết hơn sẽ gia tăng số
hạt mây có kích thước nhỏ hơn, từ đó làm tăng độ phản xạ của mây. Điều này đã
được đề cập đến đầu tiên bởi Twomey vào năm 1974. Sau đó, vào năm 1989
Albrecht đã chứng minh rằng sự hình thành giáng thuỷ bị giảm đi, sẽ dẫn tới thời
gian tồn tại của mây được kéo dài. Cả hai tác động này đều dẫn tới sự lạnh đi của bề
mặt trái đất.
Các phần tử sol khí thô hay là nhân ngưng kết lớn như muối biển, bụi có tác
dụng làm tăng sự hình thành giáng thủy đặc biệt là trong các đám mây bị ô nhiễm
bởi các chất thải mà con người gây ra. Năm 2002, Rosenfeld đã chứng minh là các
nhân ngưng kết lớn trong các đám mây là các phần tử đi thu thập hơi nước, tạo ra
những hạt nước lớn và hình thành giáng thuỷ.
d. Tác động tới mây có sự trộn lẫn giữa các pha (mixed-phase)
Mây nhiều pha thường xuất hiện ở vùng vĩ độ trung bình và vùng cực. Ở nhiệt độ
dưới 0°C, các hạt nước không tự đóng băng, nhưng có thể tồn tại khá lâu dưới dạng
chất lỏng siêu lạnh cho tới nhiệt độ xấp xỉ -38°C. Trong khoảng nhiệt độ này, quá
trình đóng băng của các hạt diễn ra nhờ những nhân nhưng kết không đồng nhất còn
gọi là nhân băng. Nhân băng phần lớn là những phần tử không hoà tan như là bụi vô
cơ hoặc phấn hoa. Với những nhân băng do con người tạo ra sẽ gây ra tác động gián
tiếp tới quá trình đóng băng “glaciation indirect effect” (Lohmann, 2002), trong đó,
sự gia tăng của các nhân băng này sẽ dẫn đến hình thành những đám mây băng, làm
tăng độ phản xạ của mây và làm gia tăng giáng thuỷ dạng băng.
23

Mây băng thường là những đám mây tầng cao (mây Ci) có chứa các phần tử
băng nguyên chất, nó đem lại hiệu ứng bức xạ dương toàn cầu. Tuy nhiên rất khó
định lượng được hiệu ứng này vì cho đến nay những hiểu biết về vòng đời của mây
Ci cũng như vùng hình thành của nó, vùng quá bão hoà băng vẫn còn hạn chế. Nhìn
chung có hai cơ chế khác nhau để hình thành mây băng:
- Thứ nhất, trong các đám mây đối lưu sâu, những hạt nước lớn thăng lên
mạnh mẽ trong hệ thống đối lưu sẽ đóng băng và hình thành các tinh thể
băng.
- Thứ hai, chuyển động thăng tốc độ trung bình sẽ gây ra quá trình lạnh đi
đoạn nhiệt, các tinh thể băng sẽ được hình thành từ hạt hòa tan siêu lạnh (các
nhân ngưng kết đồng nhất) hoặc từ các phần tử sol khí (những nhân ngưng
kết không đồng nhất).
Như vậy tìm hiểu vai trò của sol khí đối với sự hình thành các đám mây
băng, góp phần giúp ta hiểu rõ hơn tác động bức xạ của mây Ci và vai trò của nó
trong biến đổi khí hậu.
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
Sol khí làm thay đổi những thuộc tính vật lý của bề mặt và từ đó làm biến đổi
khí hậu bằng cách:
- Tác động đến năng lượng bức xạ.
- Làm thay đổi thông lượng hiển nhiệt và ẩn nhiệt truyền từ khí quyển.
Bằng sự gia tăng độ dày quang học của mây, sol khí và các hợp chất do con
người gây ra đã góp phần làm suy giảm bức xạ mặt trời trên bề mặt trái đất. Trên
khắp nước Đức, sự hấp thụ và tán xạ của các sol khí giảm đi đã làm giảm tỉ lệ bức
xạ mặt trời trực xạ/tán xạ.
24

Ở vùng nhiệt đới Ấn Độ Dương, Sol khí gián tiếp làm năng lượng bức xạ
mặt trời tới đỉnh khí quyển thay đổi -5W/m
2
còn tại bề mặt là -6W/m
2
. Mô hình khí
hậu toàn cầu tính toán rằng: trung bình, bức xạ sóng ngắn trên bề mặt suy giảm
khoảng từ -1.3 đến -3.3W/m
2
. Sự thay đổi dòng bức xạ ở đỉnh khí quyển lớn hơn do
có một vài sol khí đóng vai trò giống như carbon đen hấp thụ bức xạ mặt trời trong
khí quyển. Phần lớn các mô hình đều dự báo sự suy giảm xảy ra trên đất liền nhiều
hơn trên biển.
Thêm vào đó sol khí còn góp phần tạo ra khí nhà kính. Ở Nam Á, các sol khí
có thể đã đóng góp 50% sự đốt nóng bề mặt do sự gia tăng khí nhà kính toàn cầu.
Quá trình này còn làm thay đổi trên một quy mô rộng lớn những thuộc tính của lớp
thực vật phủ bao phủ trên bề mặt, từ đó làm thay đổi các thuộc tính vật lý của bề
mặt trong đó có albedo bề mặt. Ngoài ra thay đổi albedo bề mặt còn có thể gây ra
bởi sự lắng đọng của các phần tử sol khí trên mặt đất. Thay đổi albedo bề mặt sẽ tác
động đến năng lượng bức xạ tới từ đó làm thay đổi khí hậu.
Lớp phủ bề mặt thay đổi có thể tác động đến các thuộc tính vật lý khác như
độ phát xạ của mặt đất, thông lượng ẩm thông qua sự bốc hơi và thoát hơi, tỉ lệ giữa
thông lượng ẩn nhiệt và hiển nhiệt và sự xáo trộn rối – vốn là quá trình đưa ma sát
vào khí quyển và vận chuyển nhiệt - ẩm vào khí quyển. Tất cả các quá trình này có
thể tác động đến nhiệt độ không khí gần bề mặt, làm thay đổi độ ẩm, giáng thuỷ và
tốc độ gió.
Một số mô phỏng cho thấy trong số những tác động trực tiếp và gián tiếp mà
sol khí gây ra, thì hiệu ứng làm tăng độ dày quang học gây ra suy giảm bức xạ mặt
trời ở bề mặt đất lớn hơn so với hiệu ứng khí nhà kính dẫn tới làm tăng nhiệt độ bề
mặt. Ngoài ra, cũng có sự tăng nhẹ bức xạ sóng dài do sol khí nhưng trong điều kiện
trung bình của toàn cầu thì nó ít được so sánh với sự suy giảm bức xạ sóng ngắn ở
bề mặt. Một số các thành phần khác của năng lượng bề mặt như bức xạ nhiệt, nhiệt
và ẩn nhiệt cũng giảm khi bức xạ đầu vào giảm. Trong điều kiện trung bình của
toàn cầu thì bốc hơi phải cân bằng với mưa và khi tiềm nhiệt mô hình giảm cũng

Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×

×