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


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.


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


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



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


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


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.

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


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

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

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.

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

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

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

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