Giáo trình Khí tượng biển

đầu ngưng kết tạo thành những giọt đọng lại trên mặt đất và trên cành lá - Đó là những hạt sương. Do đó, sương có thể hình thành khi nhiệt độ mặt đất và lớp phủ thực vật đạt tới điểm sương, khi đó nhiệt độ của lớp không khí tiếp xúc với mặt đất và cây cỏ cũng có thể còn cao hơn điểm sương chút ít, tức là không khí cũng có thể chưa đạt tới trạng thái bão hoà. Trong thực tế, sương còn có thể hình thành do sự ngưng kết của hơi nước khi bốc từ các lớp đất nóng ở bên dưới lên gặp bề mặt đệm lạnh hơn. Trong năm, sương hình thành nhiều vào mùa xuân, hạ, thu. b) Sương muối Sương muối là những hạt có kiến trúc trắng, xốp, nhẹ đọng lại trên bề mặt và trên các cành lá thực vật. Sự hình thành sương muối về cơ chế cũng giống như sự hình thành sương, nhưng có điểm khác cơ bản là khi đó nhiệt độ mặt đất và nhiệt độ các vật trên mặt đất phải xuống tới hoặc dưới 0oC. Nói một cách khác, sự hình thành sương muối thực chất là quá trình đông kết của hơi nước. Cũng không nhất thiết nhiệt độ không khí của lớp sát đất phải đạt đến 0oC. Trong thực tế, rất ít gặp trường hợp sương muối hình thành do hơi nước bão hòa ở lớp sâu dưới đất bốc lên gặp bề mặt đệm lạnh có nhiệt độ thấp hơn 0oC. c) Điều kiện thuận lợi để hình thành sương, sương muối Trong thiên nhiên, sương và sương muối hình thành nhiều nhất, thuận lợi nhất khi trời quang và gió nhẹ: - Trời quang làm tăng thêm sự nguội lạnh của bề mặt đệm vì bức xạ hữu hiệu. - Gió nhẹ là điều kiện cung cấp thêm cho bề mặt những luồng hơi ẩm và mang đi không khí đã mất hơi ẩm sau khi ngưng tụ, đông kết. Gió mạnh và lặng gió đều không phải là điều kiện thuận lợi để tạo thành sương và sương muối, bởi vì: gió mạnh sẽ gây ra sự xáo trộn không khí làm cho không khí tiếp xúc với mặt đệm lạnh chưa kịp lạnh đi đến mức để cho ngưng kết hay ngưng hoa, còn lặng gió thì không có nguồn ẩm mới tiếp đến. Sương và sương muối thường hình thành nhiều vào ban đêm, có khi xảy ra cả vào lúc chiều tối của những ngày cuối hè, đầu thu ở những nơi có độ ẩm cao như trong các thung lũng và các vùng trũng và sẽ bắt đầu tan đi khi mặt trời mọc do tác dụng của nhật chiếu. ở nước ta, sương muối có thể hình thành và kéo dài cho đến những ngày cuối đông. Sương có lợi, còn sương muối rất có hại cho cây trồng. Trong nông nghiệp, chúng ta phải có biện pháp để phòng chống sương muối. 3) Ngưng kết của hơi nước ở những lớp khí quyển dưới thấp a) Sương mù và mù - Sương mù và mù là tập hợp những phẩm vật ngưng kết của hơi nước, có kích thước rất nhỏ mà mắt ta không nhìn thấy được, tạo thành một hệ thống keo lơ lửng ở những lớp dưới của khí quyển. Chúng thường có màu trắng nhạt và bao phủ trên một khoảng không gian khá lớn. Sương mù hình thành khi không khí tiếp giáp với mặt đất lạnh, làm giảm độ trong suốt của khí quyển; tầm nhìn ngang W có thể giảm xuống đến 1 km. Mù là hiện tượng vẩn đục không khí do ngưng kết của hơi nước khi tầm nhìn ngang W còn lớn hơn 1 km. Mù nhẹ: W = 2 ÷ 10 km Mù vừa: W = 1 ÷ 2 km Sương mù nhẹ: W = 500 ÷ 1.000 m Sương mù vừa: W = 50 ÷ 500 m Sương mù dày: W < 50 m Cần phân biệt mù với mù khô: mù khô là hiện tượng vẩn đục gây ra bởi các hạt bụi, khói lơ lửng trong không khí, nó được hình thành khi ở gần mặt đất gió nhẹ và không lan xa khỏi nguồn vẩn đục. Mù khô tan đi khi gió mạnh hoặc đối lưu phát triển. - Căn cứ vào nguyên nhân, điều kiện hình thành có thể phân chia sương mù ra làm 5 loại: (1) Sương mù bức xạ: Sương mù bức xạ hình thành khi mặt đệm bị lạnh đi vì bức xạ (đặc biệt vào lúc trời quang). Sự lạnh đi này sẽ truyền vào các lớp không khí tiếp giáp với nó làm cho hơi nước trong lớp không khí đó có thể đạt tới điều kiện ngưng kết tạo thành sương mù. Sương mù bức xạ phát triển thuận lợi khi bức xạ hữu hiệu lớn, gió nhẹ và dung lượng hơi ẩm trong không khí đủ lớn. Sương mù bức xạ hình thành vào ban đêm và tan dần khi có tác dụng của nhật chiếu. Về mùa thu và mùa xuân, chiều dày sương mù bức xạ tới vài mét, bay lởn vởn trên mặt đất. Về mùa đông, sương mù bức xạ có thể kéo dài với chiều dày tới vài trăm mét. (2) Sương mù bình lưu: Sương mù bình lưu hình thành khi khối không khí nóng ẩm di chuyển trên bề mặt đệm lạnh. Độ dày của nó rất lớn và không gian mà nó choán chỗ rất rộng. Do đó, sương mù bình lưu có thể hình thành vào bất cứ lúc nào và có thể tồn tại ngay cả khi có gió lớn. Sương mù bình lưu phát triển thuận lợi khi: không khí nhiệt đới chuyển dịch lên các vĩ độ cao hơn (vào mùa đông); khi không khí lục địa nóng chuyển dịch sang mặt biển lạnh (vào mùa hạ); khi không khí biển nóng chuyển dịch sang mặt lục địa lạnh - sương mù duyên hải (vào mùa đông); khi không khí chuyển dịch từ mặt nước nóng sang mặt nước lạnh - sương mù biển (thường gặp trong suốt cả năm ở nơi giao lưu của các dòng biển nóng lạnh). (3) Sương mù bốc hơi: Vào thời gian cuối thu đầu đông, nhiệt độ trên bề mặt nước có thể cao hơn nhiệt độ của lớp không khí tiếp giáp với nó. Do đó, ngay sát mặt nước quá trình bốc hơi nước vẫn xảy ra. Vì nhiệt độ của không khí tiếp giáp nhỏ hơn nhiệt độ của nước nên khi hơi nước bốc lên gặp lạnh sẽ ngưng kết tạo thành sương mù. Sương mù bốc hơi có thể xảy ra trên các hồ ao, đầm lầy, vịnh và biển không đóng băng vào mùa đông. (4) Sương mù hỗn hợp: Sương mù hỗn hợp hình thành khi có sự hỗn hợp hai khối không khí có nhiệt độ và trạng thái bão hoà khác nhau. Chẳng hạn: Khối khí 1 có nhiệt độ t1 và áp suất hơi nước bão hòa E1. Khối khí 2 có nhiệt độ t2 và áp suất hơi nước bão hòa E2. Khi trộn hai khối không khí vào nhau thì ta được một khối không khí hỗn hợp có: − t = 2 tt 21 + , E = 2 EE 21 + Với nhiệt độ − t này có một áp suất hơi nước bão hoà E < E (hình 3-41). Lượng dư: E - E = ΔE > 0 này sẽ làm cho không khí sau khi hỗn hợp trở nên quá bão hoà, lượng hơi nước ΔE sẽ ngưng kết tạo thành sương mù. Sương mù hỗn hợp khá thịnh hành khi chênh lệch nhiệt độ giữa hai khối không khí bão hòa không lớn lắm: Δt ≥ 10oC và độ ẩm tương đối r ≥ 95%. Trong thực tế cường độ sương mù hỗn hợp tương đối yếu. (5) Sương mù trước front nóng: Trước front nóng có 2 hiện tượng xảy ra cần lưu ý, một là: nước rơi khí quyển (mưa) và nước mưa từ mặt đệm bốc hơi làm cho không khí tăng thêm lượng ẩm; hai là áp suất khí quyển giảm nhanh sẽ gây ra dãn nở đoạn nhiệt làm cho không khí lạnh đi và nhiệt độ giảm xuống, độ ẩm tăng thêm dễ dẫn đến ngưng kết và tạo thành sương mù ngay trước front nóng. Dựa vào dấu hiệu của sương mù front mà dự báo viên có thể dự báo được thời điểm mà front đi qua trạm khí tượng. * Trên thực tế, sự hình thành sương mù nhiều khi rất phức tạp. Ngoài các loại sương mù nêu trên, đôi khi chúng ta còn quan sát thấy các dạng sương mù khác như sương mù sườn dốc, sương mù thành phố... b) Sự thay đổi theo thời gian và không gian của sương mù - Phân bố sương mù theo không gian: Một đặc điểm nổi bật trong sự phân bố sương mù theo không gian là số lần xuất hiện chúng tăng dần từ vĩ độ thấp đến vĩ độ cao. ở cực sương mù xảy ra thường xuyên. ở các miền ven biển, đặc biệt ở nơi có địa hình cao chắn các luồng không khí lạnh sương mù xảy ra nhiều hơn có khi đạt tới 24 đến 26 ngày trong tháng. - Sự thay đổi của sương mù theo thời gian Sương mù có quá trình ngày và năm rõ rệt. Trong một ngày đêm cường độ sương mù đạt giá trị cực đại về ban đêm và đạt giá trị cực tiểu về ban ngày. Đường quá trình năm của sương mù phụ thuộc vào vĩ độ địa lý. Trên lục địa sương mù thường xuất hiện nhiều vào mùa thu, trên biển vào mùa xuân khi mặt biển lạnh nhất. ở Việt Nam, theo số liệu khí hậu thì: Sương mù xảy ra nhiều nhất ở đồng bằng ven biển; càng xa biển khả năng có sương mù càng giảm. ở vùng núi sương mù tăng lên vì bức xạ. Sương mù khá tập trung vào các tháng mùa đông đặc biệt là tháng II, III (có thể đến 20 ngày/tháng). Những ngày mùa đông sương mù kéo dài đến 8-9 h sáng, còn mùa hè sương mù ít và tan nhanh khi mặt trời mọc. Vẫn cần phải nhắc lại rằng: không được nhầm lẫn giữa sương mù, mù với mù khô (mua khô là hiện tượng vẩn đục do các hạt bụi, khói... lơ lửng trong không khí). Sương mù ảnh hưởng rất lớn đến tầm nhìn xa. Do đó, việc quan trắc và dự báo sương mù có tầm quan trọng đặc biệt đối với các ngành hàng không, giao thông, vận tải... 4) Sự ngưng kết hơi nước trong khí quyển tự do - Mây a) Định nghĩa mây Mây là tập hợp các sản phẩm ngưng kết hay đông kết của hơi nước tại những độ cao nào đó trong khí quyển tự do. Như vậy, về bản chất vật lý thì mây cũng giống như sương và sương mù chỉ có khác nhau ở chỗ là sự phân bố của chúng trong khí quyển. Mây có thể gồm các giọt nước nhỏ, hoặc các tinh thể băng hoặc hỗn hợp cả hai. Các giọt nước và tinh thể băng này được gọi là các phần tử mây. Các phần tử mây có kích thước rất khác nhau: giọt nước thường có đường kính từ 2 đến 8 μ. Các tinh thể băng thường có dạng lăng trụ, đôi khi có dạng hình sao, hoa tuyết với kích thước cỡ phần mấy mi li mét. Dạng và kích thước của chúng phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ và độ ẩm không khí. Khi có điều kiện các phần tử mây này lớn lên, đủ sức nặng chúng có thể rơi xuống bề mặt trái đất tạo thành mưa. b) Phân loại mây - Theo hình dạng bề ngoài và độ cao chân mây: người ta đưa ra “Bảng phân loại mây quốc tế” (1929 - 1963) đã đề cập trong chương I. Ngoài các loại mây đã có trong bảng, đôi khi chúng ta còn có thể quan trắc được mây xà cừ và mây bạc. Mây xà cừ ở độ cao khoảng 25 - 30 km, mỏng có ánh sáng ngũ sắc chói lọi nhất là khi mặt trời sắp mọc và mặt trời sắp lặn chút ít; phần tử mây là những giọt nước quá lạnh. Mây bạc ở độ cao khoảng 80 - 85 km, mỏng có ánh sáng chói như bạc; nhiều nhà khoa học cho rằng các phân tử của mây bạc là những tinh thể băng. - Theo kết cấu mây người ta chia ra làm 3 loại mây sau đây: + Mây nước: mây chủ yếu do các giọt nước tạo thành. + Mây băng: mây chủ yếu do các hạt băng tạo thành. + Mây hỗn hợp: mây gồm cả các giọt nước và các hạt băng, tuyết tạo thành. c) Sự hình thành mây - Mây đối lưu nhiệt Vào mùa hè, do sự nóng lên không đều của bề mặt đệm, đối lưu nhiệt phát triển mạnh. Các dòng không khí nóng ẩm lớn được đưa lên cao đạt đến độ cao ngưng kết và tạo thành mây, gọi là mây đối lưu nhiệt. Sự hình thành mây đối lưu nhiệt phụ thuộc vào độ bất ổn định của không khí, tức là khi nhiệt độ và độ ẩm càng lớn thì mây đối lưu phát triển càng mạnh. Mây đối lưu nhiệt chỉ hình thành khi mực ngưng kết thấp hơn mực đối lưu. Thường có ba dạng mây đối lưu nhiệt ứng với các trường hợp sau: + Đối lưu nhiệt không phát triển tới hết tầng đối lưu do bị ngăn giữ bởi một lớp nghịch nhiệt, mây được hình thành có dạng thành quách, độ cao thấp, đó là mây tích phẳng, dẹt: Cuhum và Cumed (hình 3-42a). + Đối lưu nhiệt phát triển tới mực đối lưu, mây được hình thành có dạng gò đống cao, đó là mây tích dầy: Cucong (hình 3-42b). + Đối lưu nhiệt phát triển rất mạnh đạt tới mực băng kết, các phần tử mây tại đỉnh có kiến trúc tinh thể, mây vũ tích Cb (hình 3-42c). Khi nhiệt độ của không khí tham gia chuyển động đối lưu vẫn lớn hơn nhiệt độ của môi trường xung quanh, mây Cb vẫn tiếp tục phát triển; nếu nó bị đột ngột dừng lại do gặp phải lớp nghịch nhiệt bên trên thì đỉnh mây sẽ toả ra dạng hình đe. Đôi khi do dòng năng lượng đối lưu lớn, mây Cb có thể vượt qua giới hạn dưới của lớp nghịch nhiệt và đỉnh mây khi đó bị tơi tả dưới dạng hoa cải, hoặc để lại ở đó một lớp mây trung tích có dạng thấu kính. mực đối lưu mực băng kết Nghịch nhiệt a b c Hình 3-42 - Mây dạng sóng (mây luống cày) Trong khí quyển thường tồn tại những mặt phân cách giữa các lớp không khí, chẳng hạn giữa không khí nóng và không khí lạnh (thường là mặt dưới của lớp nghịch nhiệt) và khi không khí chuyển động dưới dạng sóng (với biên độ trung bình từ 20 đến 50 m, bước sóng từ 300 đến 500 m) thì tại đỉnh sóng không khí được nâng lên một cách đoạn nhiệt, không khí bị lạnh đi và hơi nước có điều kiện ngưng kết tạo thành mây; còn tại bụng sóng không khí đi xuống đoạn nhiệt, không khí lại nóng lên, hơi nước không có điều kiện ngưng kết tạo thành mây, thậm chí còn làm tan mây đã có. Do đó trên diện rộng cả mặt phân cách hình thành các luống mây xen kẽ các khoảng trời xanh gọi là mây dạng sóng hay mây luống cày (hình 3-43). Hình 3-43 Loại mây này thuộc loại mây trung tằng As. - Mây loạn lưu Trong khí quyển hiện tượng loạn lưu luôn xảy ra. Trong các dòng chuyển động loạn lưu, có các phần tử chuyển động đi lên, có các phần tử đi xuống. Các phần tử đi lên sẽ lạnh đi đoạn nhiệt và có điều kiện hình thành mây. Mây này gọi là mây loạn lưu. Mây loạn lưu thường gặp là các dạng mây mảnh, không liên tục chuyển động không ngừng và mây tằng St. - Mây bức xạ Mây bức xạ hình thành do bề mặt đệm lạnh đi mãnh liệt vì phát xạ và sự lạnh này lan truyền lên các lớp không khí bên trên nó cho đến khi có đủ điều kiện để hơi nước ngưng kết tạo thành mây. Do vậy, mây bức xạ thường là những dạng mây tằng, không cho mưa. Trong điều kiện thời tiết ổn định, mây bức xạ hình thành một cách êm ả, dày đặc có khi che kín cả bầu trời song cũng dễ tan đi khi có tác dụng của nhật chiếu. - Mây front * Hệ thống mây front nóng: Hệ thống mây front nóng do không khí nóng trườn lên dọc theo mặt front lạnh đi đoạn nhiệt mà hình thành. Đỉnh mây khá cao, có khi đạt quá giới hạn của mực băng kết; chân mây thường trùng với mặt front. Nghịch nhiệt Qui mô của mây phụ thuộc vào qui mô của front. Hệ thống mây front nóng bao gồm: mây vũ tằng (Ns), mây trung tằng (As) cho mưa dầm ngay trước đường front và mây tầng cao trên mực băng kết thường là các dạng mây ti (Cs, Ci) không cho mưa (hình 3-44). Cs Ci Băng kết As Ns Mưa Hình 3-44 * Hệ thống mây front lạnh: Hệ thống mây front lạnh được hình thành khi front lạnh di chuyển, không khí lạnh đẩy không khí nóng buộc không khí nóng phải nâng lên cao. Có thể phân biệt hệ thống mây front lạnh thành hai loại: - Hệ thống mây front lạnh loại I: Front lạnh loại I di chuyển chậm, độ bất ổn định của không khí nóng trước front nhỏ. Hệ thống mây giống như mây front nóng, song trình tự sắp xếp ngược lại. Gần đường front do độ dốc của nêm lạnh khá lớn nên hình thành dòng không khí chuyển động thẳng đứng, tạo thành mây Cb; khi gặp lớp nghịch nhiệt thấp có thể hình thành mây Sc, lên cao theo mặt front là Ns và As và trên cùng là họ mây cao Ci, Cs (hình 3-45). Ci Cs Cb As Ns nghịch nhệt St, Sc Mưa Hình 3-45 Hệ thống mây front lạnh loại I cho mưa từ Ns, As và Cb trước và sau front song mưa này qua nhanh hơn so với mưa từ hệ thống mây front nóng. - Hệ thống mây front lạnh loại II: Front lạnh loại II có tốc độ di chuyển nhanh, độ bất ổn định của khối không khí nóng phía trước front lớn. Do độ dốc của nêm front rất lớn nên trước đường front chuyển động thẳng đứng rất mạnh, mây Cb phát triển ngay sát trước đường front và do front di chuyển nhanh nên không khí nóng trên nêm lạnh trườn theo mặt front xuống tạo điều kiện hình thành các đám mây trung tích Ac. Dòng không khí này cùng với dòng đối lưu trước front đẩy không khí nóng phía trước front lên cao tạo thành các loại mây ti Cs, Cc (hình 3-46). Cs Cc Ac Cb Băng kết nghịch nhiệt Hình 3-46 So với các hệ thống mây front thì mây front lạnh loại II diện hẹp hơn (vì sự đi lên của không khí diễn ra trong phạm vi hẹp hơn) và tập trung hầu hết về phía trước front, có mưa lớn từ Cb ngay sát đường front; phía sau front và phía xa trước front thời tiết quang đãng và không mưa. - Mây địa hình Mây địa hình thường hình thành vào mùa hè trên các vùng đồi núi do sự nâng lên của các dòng không khí trên mực ngưng kết gây nên bởi điều kiện địa hình. Với loại mây này thường bắt gặp ở các dạng vũ tằng Ns, trung tằng As với chân nhỏ, đỉnh rộng. 3.3.3 Nước rơi khí quyển Nước rơi khí quyển (hay còn gọi là giáng thủy) là khâu thứ ba của quá trình tuần hoàn nước. Nước rơi khí quyển tức là nước từ thể hơi chuyển sang thể lỏng hoặc rắn lớn dần lên và rơi trong khí quyển từ một độ cao nào đó về phía bề mặt trái đất. Chúng ta gọi lượng nước dưới dạng lỏng hoặc rắn nói trên đạt đến bề mặt trái đất là mưa. Những đặc trưng cơ bản nhất của mưa là lượng mưa và cường độ mưa. Lượng mưa là độ dày của lớp nước mưa trên mặt nằm ngang mà chưa bị mất đi vì bất cứ lý do gì (như bốc hơi, ngấm, chảy...). Cường độ mưa được tính bằng lượng mưa trong một đơn vị thời gian. Trong lĩnh vực thủy văn, thủy lợi các đặc trưng của mưa quan trọng thường được sử dụng là: mưa trung bình năm (trong tính toán trữ lượng nước, cân bằng nước...); mưa thời đoạn ngắn (mưa 15, 30 phút dùng tính toán xói mòn đất; mưa giờ dùng trong tính lũ, mưa ngày dùng trong tính nhu cầu dùng nước...); mưa thời đoạn dài (mưa 1, 3, 5, 7 ngày max, dùng cho tính tiêu). 1) Sự hình thành mưa - Phân loại mưa a) Điều kiện hình thành mưa Muốn có mưa thì trước hết phải có mây, tức là trong khí quyển phải có ngưng kết để tạo thành các phần tử mây Từ mây phải có một bước nhảy vọt về sự lớn lên của các phần tử mây để có đủ trọng lượng thắng lực đẩy Asimét hoặc lực đẩy của các dòng đối lưu đi lên trong khí quyển để rơi xuống, tạo thành nước rơi khí quyển. Cuối cùng, nước rơi khí quyển phảI có đạt tới bề mặt trái đất để tạo thành mưa. Vấn đề bốc hơi, ngưng kết, mây đã được xem xét kỹ ở các tiết trước; dưới đây chúng ta sẽ đề cập đến quá trình lớn lên của các phần tử mây. Có thể khái quát sự lớn lên của các phần tử mây bằng hai cách sau đây: - Lớn lên do ngưng kết trực tiếp + Khi độ ẩm không khí đạt tới quá bão hoà thì hiện tượng ngưng kết xảy ra trên bề mặt giọt nước và giọt nước đó lớn lên. Có thể minh họa điều đó như sau: Gọi mật độ hơi nước ngay sát trên bề mặt giọt nước là ag, mật độ hơi nước ở môi trường xung quanh là ak thì điều kiện để có ngưng kết trực tiếp là ak > ag, tức là độ ẩm xung quanh giọt nước đạt tới quá bão hoà so với mặt giọt nước; còn nếu ag > ak thì khi đó giọt nước bốc hơi cung cấp thêm lượng ẩm cho môi trường xung quanh. Trong quá trình ngưng kết trực tiếp, tốc độ thay đổi của bán kính giọt nước cho bởi công thức: td r d g = D n gk aa ρ − Trong đó: D là hệ số khuếch tán phân tử; ρn là mật độ hơi nước. + Giọt nước có thể lớn lên do chuyển dịch khuyếch tán, tức là do hiện tượng nước từ giọt này bốc hơi vào không khí rồi chuyển sang ngưng kết trực tiếp trên giọt khác. Nếu gọi Er là sức trương hơi nước bão hòa trên bề mặt giọt nước và E∞ là sức trương hơi nước bão hòa trên bề mặt nước phẳng thì: Er = E∞ . r rC e Trong đó: Cr là hệ số phụ thuộc nhiệt độ: Cr = 0,52.10-7 khi t = 0oC; Cr = 0,47.10-7 khi t = 20oC. Tức là: giọt nước nhỏ đòi hỏi lượng hơi nước nhiều hơn để bão hoà so với giọt nước lớn; do đó trong không gian giọt nước nhỏ thường bay hơi chuyển sang ngưng kết trên các giọt nước lớn, hoặc chuyển sang ngưng kết trên các hạt băng và nhờ vậy các giọt nước lớn, các tinh thể băng tiếp tục lớn lên. - Lớn lên do kết dính + Có thể do chuyển động hỗn loạn làm cho các giọt nước tụ họp, chập lại với nhau thành giọt nước lớn hơn. Sự lớn lên theo cách này xảy ra thường chậm chạp. + Có thể do chuyển động loạn lưu mà các giọt nước tiếp xúc với nhau và lớn lên. + Có thể do các giọt nước có tích điện khác dấu có khả năng hút nhau làm thành những giọt nước lớn hơn. + Kết dính trọng lực: sự lớn lên của các phần tử mây do kết dính theo các cách trên đây chỉ đóng vai trò thứ yếu trong qúa trình hình thành nước rơi khí quyển; vai trò chủ yếu của nó là sự lớn lên do kết dính trọng lực. Kết dính trọng lực xảy ra khi các giọt nước có kích thước và trọng lượng khác nhau rơi xuống với tốc độ khác nhau. Giọt nước lớn có tốc độ rơi lớn hơn và đuổi kịp các giọt nước nhỏ rơi xuống trước nó. Nếu đảm bảo độ ẩm của không khí lớn hơn 90% thì kết dính sẽ xảy ra khi 2 giọt nước lớn và nhỏ có kích thước không chênh lệch nhau nhiều lắm; ngược lại kết dính sẽ không xảy ra khi giọt nước nhỏ hơn có kích thước quá bé so với giọt nước lớn và khi đó giọt nước nhỏ sẽ theo dòng không khí lùi lại phía sau. Hình (3-47a): biểu thị qúa trình xảy ra kết dính trọng lực; hình (3-47b): biểu thị qúa trình không xảy ra kết dính trọng lực. Tất nhiên, để có được nước rơi khí quyển, các phần tử mây từng lúc, từng nơi có thể lớn lên bằng các cách riêng rẽ hoặc kết hợp các cách trên đây cùng một lúc. 2 2 2 2 a) b) Hình 3-47 b) Sự hình thành mưa tuyết 1 1 Từ điều kiện để hình thành mưa, có thể nhận thấy: các phần tử mây (các giọt nước, các tinh thể băng trong mây) sẽ khó lớn lên nếu như chúng có kích thước đồng nhất hoặc kích thước chênh lệch nhau quá lớn; các phần tử mây cũng khó lớn lên nếu chúng gồm toàn những giọt nước hay toàn những tinh thể băng. Sở dĩ như vậy bởi vì khi đó sự lớn lên của các phần tử mây do ngưng kết trực tiếp và do kết dính đều khó thực hiện. Kết luận này cho phép chúng ta hiểu được tại sao các loại mây cao như Ci, Cs, Cc (các phần tử mây chỉ gồm các tinh thể băng và độ ẩm nhỏ), các loại mây như Cu mỏng dẹt, As (các phần tử mây chỉ gồm các giọt nước tương đối đồng đều) thường không cho mưa. Trong khi đó, các loại mây như St, Sc (các phần tử mây gồm gồm các giọt nước có kích thước tương đối không đồng đều) cũng có thể cho mưa nếu chúng tồn tại lâu trên bầu trời. Trên thực tế sự hình thành mưa chủ yếu ở các loại mây có các phần tử mây bao gồm hỗn hợp các hạt băng và các giọt nước có kích thước khác nhau như mây Cb, Ns, As với độ dày lớn. Sự hình thành mưa tuyết từ các loại mây dạng vũ (Cb, Ns) có thể mô tả tóm tắt như sau: Phần trên của mây được tập hợp bởi các phần tử mây là các tinh thể băng; phần giữa của mây là hỗn hợp của các giọt nước quá lạnh và các tinh thể băng; còn phần dưới của mây bao gồm các giọt nước nhỏ. Trong các đám mây này, các phần tử mây này sẽ lớn lên bằng cách chuyển từ các giọt nước sang tinh thể băng tạo thành các bản băng hình sao, gọi là sao tuyết. Hơi nước tiếp tục ngưng kết vào những cánh sao nhô ra của sao tuyết tạo thành những hoa tuyết. Các hoa tuyết này rơi xuống qua các vùng có các giọt nước và tiếp tục được lớn lên; càng lớn lên càng rơi xuống nhanh hơn. Trong qúa trình rơi các hoa tuyết va chạm vào nhau và kết dính thành các bông tuyết lớn. Các bông tuyết này tiếp tục rơi, khi gặp các lớp không khí có nhiệt độ lớn hơn 0oC ở bên dưới các bông tuyết tan dần ra thành các giọt nước và rơi xuống mặt đất dưới dạng lỏng gọi là mưa. Nếu các lớp không khí dưới nó có nhiệt độ nhỏ hơn 0oC, nhất là nhiệt độ không khí giữa mây và mặt đất đều nhỏ hơn 0oC, thì các hoa tuyết, bông tuyết sẽ đạt đến mặt đất dưới dạng tuyết rơi. Nếu tuyết đang tan đạt tới bề mặt trái đất thì gọi là tuyết ướt. c) Phân loại mưa - Phân loại theo hình dạng bề ngoài: Căn cứ vào hình dạng bên ngoài người ta chia ra các dạng mưa sau: + Tuyết: tuyết bao gồm các loại giáng thủy dưới dạng sao tuyết, hoa tuyết, bông tuyết. Trước khi tuyết rơi, đôi khi cả trong lúc tuyết rơi, thường quan sát thấy có các viên tuyết, hạt tuyết màu trắng đục. Viên tuyết có kích thước từ 2 đến 5 mm, hạt tuyết có kích thước nhỏ hơn 1 mm. + Mưa băng: mưa băng là những hạt mưa hình cầu, rắn và trong suốt, đường kính hạt mưa từ 1 đến 3 mm; hoặc các viên băng nhỏ mặt ngoài trong suốt, ở giữa có lõi màu trắng, đường kính từ 2 đến 5 mm. Khi trời băng giá còn quan sát thấy các tinh thể băng trong suốt có kích thước nhỏ dưới dạng các kim băng. + Mưa thường: mưa thường là giáng thủy dưới dạng các giọt nước có kích thước khác nhau. Đường kính trung bình của các giọt nước từ 0,5 ÷ 7 mm. Giữa tuyết, mưa băng và mưa có dạng mưa trung gian sau đây: + Tuyết ướt: tuyết ướt đó là giáng thủy dưới dạng tuyết đang tan hay tuyết lẫn dạng mưa thường. + Mưa đá: trong các cơn mưa giông đầu mùa thường có kèm theo các cục nước đá có kích thước trung bình từ 6 ÷ 50 mm, có khi tới mấy chục cm hoặc hơn nữa rơi xuống - Đó là mưa đá. Cục mưa đá bao gồm các lớp trong suốt và không trong suốt xen kẽ nhau. Sự hình thành mưa đá như sau: Từ đỉnh các đám mây vũ tích, các tinh thể băng rơi xuống vào các miền mà phần tử mây gồm các giọt nước. Các giọt nước này bao quanh lấy các tinh thể băng thành một màng mỏng. Các tinh thể băng đã được nước bao quanh này có thể gặp các dòng thăng đi lên và bị đưa về mực băng kết và màng nước sẽ đông kết thành lớp trong nếu như độ ẩm của môi trường đầy đủ; nếu độ ẩm của môi trường không đầy đủ, tức là chưa đạt tới trạng thái bão hoà thì màng nước đó kết thành lớp xốp màu trắng đục. Sau đó tinh thể đó lại tiếp tục rơi xuống và lại bị dòng đối lưu đưa lên... tức là có thể thực hiện chu kỳ nói trên nhiều lần. Kết quả là tinh thể đó lớn lên và có cấu tạo những lớp trong đục xen kẽ và rơi xuống bề mặt đất. Như vậy, muố