Mục lục bài họcĐang ở d04-b4
The Atmosphere, Global Circulation, Monsoons and El Nino
Layers of the atmosphere
Composition by volume of dry air: about $78\%$ nitrogen, $21\%$ oxygen, $0{,}93\%$ argon and roughly $0{,}04\%$ carbon dioxide. The layers are defined by whether temperature rises or falls with height:
- Troposphere (0–about 16 km) — temperature falls about $6{,}5^{\circ}\text{C}$ per km. Warm air below cold air is unstable, so this layer mixes vigorously: nearly all weather happens here.
- Stratosphere — temperature rises with height because the ozone layer absorbs ultraviolet radiation. Warm air on top of cold is stable, so there is little vertical mixing, which is why pollutants that reach it stay for years.
- Mesosphere — temperature falls again; the coldest part of the atmosphere.
- Thermosphere — temperature rises as scarce molecules absorb high-energy radiation.
Three cells, and why deserts sit at 30 degrees
Intense heating at the equator lifts moist air; it cools, rain falls, and the dry air aloft moves poleward and sinks near 30 degrees, warming and absorbing moisture. That descending limb of the Hadley cell is why most great deserts lie near $30^{\circ}$ N and S. The Ferrel and polar cells complete the pattern, with rising wet air near $60^{\circ}$ and sinking dry air at the poles. The Coriolis effect deflects moving air right in the Northern Hemisphere and left in the Southern, turning these flows into the trade winds and the westerlies.
Monsoons, El Nino and La Nina
A monsoon is a seasonal reversal of wind caused by land heating and cooling faster than ocean: summer winds blow from sea to land bringing rain, winter winds from land to sea bringing dry air. In a normal year, Pacific trade winds pile warm water in the west and allow cold, nutrient-rich upwelling off Peru. During El Nino the trade winds weaken or reverse, warm water spreads east, upwelling stops, fisheries collapse, Peru gets floods and Australia and Indonesia get drought. La Nina is the exaggerated normal state: stronger trade winds, stronger upwelling, wetter western Pacific.
Các tầng khí quyển
Thành phần không khí khô theo thể tích: khoảng $78\%$ nitơ, $21\%$ oxi, $0{,}93\%$ argon và khoảng $0{,}04\%$ cacbon đioxit. Các tầng được phân chia theo việc nhiệt độ tăng hay giảm theo độ cao:
- Tầng đối lưu (0 đến khoảng 16 km) — nhiệt độ giảm khoảng $6{,}5^{\circ}\text{C}$ mỗi km. Khí ấm nằm dưới khí lạnh là trạng thái bất ổn định, nên tầng này xáo trộn mạnh: gần như toàn bộ thời tiết xảy ra ở đây.
- Tầng bình lưu — nhiệt độ tăng theo độ cao vì tầng ozon hấp thụ tia tử ngoại. Khí ấm nằm trên khí lạnh là trạng thái ổn định nên rất ít xáo trộn thẳng đứng — đó là lý do chất ô nhiễm lên tới đây thì tồn tại hàng năm trời.
- Tầng trung lưu — nhiệt độ lại giảm; đây là phần lạnh nhất của khí quyển.
- Tầng nhiệt — nhiệt độ tăng vì số phân tử ít ỏi hấp thụ bức xạ năng lượng cao.
Ba vòng đối lưu, và vì sao hoang mạc nằm ở vĩ độ 30
Nắng gay gắt ở xích đạo nâng khối khí ẩm lên; khí nguội, mưa trút xuống, phần khí đã khô ở trên cao đi về phía cực rồi hạ xuống quanh vĩ độ 30, nóng lên và hút thêm ẩm. Nhánh giáng của vòng Hadley chính là lý do phần lớn hoang mạc lớn nằm gần $30^{\circ}$ Bắc và Nam. Vòng Ferrel và vòng cực khép nốt bức tranh, với khí ẩm bốc lên quanh $60^{\circ}$ và khí khô hạ xuống ở cực. Hiệu ứng Coriolis làm khối khí lệch sang phải ở Bắc bán cầu và sang trái ở Nam bán cầu, biến các dòng này thành gió tín phong và gió tây ôn đới.
Gió mùa, El Nino và La Nina
Gió mùa là sự đảo chiều gió theo mùa, do đất nóng lên và nguội đi nhanh hơn biển: gió mùa hạ thổi từ biển vào đất liền mang mưa, gió mùa đông thổi từ đất ra biển mang khí khô. Năm bình thường, tín phong Thái Bình Dương dồn nước ấm về phía tây và cho phép dòng nước trồi lạnh, giàu dinh dưỡng nổi lên ngoài khơi Peru. Trong pha El Nino, tín phong yếu đi hoặc đảo chiều, nước ấm lan về phía đông, nước trồi ngừng, nghề cá sụp đổ, Peru ngập lụt còn Australia và Indonesia hạn hán. La Nina là trạng thái bình thường được đẩy mạnh: tín phong mạnh hơn, nước trồi mạnh hơn, tây Thái Bình Dương mưa nhiều hơn.
Nhiệt độ mặt đất là $18^{\circ}\text{C}$. Dùng gradient nhiệt độ trung bình của tầng đối lưu $6{,}5^{\circ}\text{C}$ mỗi km, tính nhiệt độ không khí ở độ cao bay hành trình $11$ km. Sau đó giải thích vì sao phép tính này ngừng đúng nếu áp cho độ cao $30$ km.
Bước 1 — tính mức giảm.
$$\Delta T = 6{,}5 \times 11 = 71{,}5^{\circ}\text{C}$$
Bước 2 — trừ khỏi nhiệt độ mặt đất.
$$T = 18 - 71{,}5 = -53{,}5^{\circ}\text{C}$$
Con số này khớp với nhiệt độ ngoài thân máy bay ở độ cao hành trình, thường quanh $-50^{\circ}\text{C}$.
Bước 3 — vì sao không suy tiếp lên $30$ km. Ở khoảng $16$ km có ranh giới đối lưu hạn: qua đó là tầng bình lưu, và trong tầng bình lưu nhiệt độ tăng theo độ cao vì ozon hấp thụ tia tử ngoại. Áp gradient của tầng đối lưu lên $30$ km sẽ cho một giá trị lạnh phi lý, trong khi thực tế ở đó không khí ấm hơn ở đối lưu hạn.
Ý cần nhớ: gradient $6{,}5^{\circ}\text{C}$/km chỉ có hiệu lực trong tầng đối lưu.
Đọc xong rồi — làm thử ngay
Bài tập của chương Unit 4 — Earth Systems and Resources gồm 14 câu trắc nghiệm và 4 đề tự luận. Đáp án hiện ngay khi chọn, miễn phí.