127
Chơng 4
áp suất khí quyển v gió
Gió có thể gây tác động trực tiếp lên cảm giác của chúng ta kể cả trong điều
kiện thời tiết dịu nhất. Một cơn gió nhẹ có thể lm cho một buổi chiều nóng nực trở
nên dễ chịu hơn, hoặc nó có thể lm cho một đêm đông trở thnh rất lạnh. Nhng
đôi khi, chuyển động không khí có thể tác động tới cuộc sống chúng ta theo những
cách mạnh mẽ hơn nhiều. C dân các vùng phía đông Washington v Oregon vẫn
nhớ mãi về điều ny vo ngy 25 tháng 9 năm 1999, khi ấy gió mạnh tới 135 km/giờ
gây nên một trận bão cát mù mịt kéo theo một loạt tai họa. Trong ngy hôm ấy, 6
ngời bị thiệt mạng, 23 ngời bị thơng, nhiều đoạn đờng cao tốc bị ngừng trệ
hon ton trong nhiều giờ. Điều tồi tệ nhất trong số các tai họa giao thông đã xảy
ra trên xa lộ liên bang số 84 ở vùng đông bắc Oregon. Ông gi 58 tuổi Harold Fell
đã diễn tả lại trải nghiệm của mình: Một chiếc xe tải 18 bánh đã lao vụt qua chúng
tôi v điều tiếp sau m tôi đợc biết l nó dừng sững ngay giữa đờng. Nó đứng
sừng sững ngay trớc mặt tôi. Fell v vợ ông chỉ bị thơng nhẹ, nhng chắc chắn
họ phải thấy mình đã may mắn lm sao khi đợc chứng kiến cảnh tợng tai họa v
nhận ra 4 ngời thiệt mạng giữa đống vỡ vụn của 16 chiếc xe khác bị dính.
Dù l chúng ta thi thoảng có quan tâm đến tình hình gió, song ít ngời trong
chúng ta chú ý nhiều tới một thnh tố rất liên quan của thời tiết - đó l
áp suất khí
quyển
. Thử hỏi, đã bao nhiêu lần bạn hủy bỏ cuộc dã ngoại bởi áp suất rất thấp?
Hay bạn thấy bao nhiêu ngời có quần áo chuyên dụng cho những ngy áp cao?
Mặc dù hiếm khi đợc chú ý đến trong cuộc sống hng ngy, nhng áp suất
không khí ảnh hởng rất sâu sắc tới những thông số thời tiết khác có tác động một
cách trực tiếp hơn nhiều. Ví dụ, những biến thiên theo phơng ngang của áp suất
khí quyển l nguyên nhân trực tiếp của chuyển động gió. V bởi vì không khí giáng
xuống ở các khu vực áp suất bề mặt cao v thăng lên ở các vùng áp suất bề mặt
thấp, nên những chênh lệch áp suất tác động mạnh tới xác suất hình thnh mây v

lần va chạm giữa phân tử khí v thnh hộp. Chúng ta có thể lm tăng áp suất bằng
hai cách. Cách thứ nhất l tăng mật độ không khí bằng cách bơm không khí vo
hộp hoặc lm giảm thể tích hộp (b). Cách thứ hai l lm tăng nhiệt độ không khí,
trong trờng hợp ny, các phân tử khí tác động áp suất lớn hơn vì chúng chuyển
động nhanh hơn (c). Nh vậy, áp suất thể hiện cả mật độ v nhiệt độ của chất khí.
Nếu không khí trong hộp l một hỗn hợp các chất khí (nh trong khí quyển),
mỗi chất khí gây ra lợng áp suất riêng của nó, gọi l
áp suất riêng phần. áp suất
tổng cộng tác động bằng tổng của các áp suất riêng phần. Quan hệ ny đợc biết
đến nh l định luật Dalton.
Trên Trái Đất, hộp chứa đợc bao quanh bởi khí quyển, nó tạo ra áp suất lên
thnh hộp bên ngoi. Bây giờ, xem điều gì sẽ xảy ra nếu chúng ta mở nắp hộp hoặc
lm một lỗ thủng ở cạnh hộp. Nếu áp suất
ở bên ngoui hộp chứa lớn hơn áp suất ở
bên trong, không khí bên ngoi sẽ bị dồn vo bên trong cho đến khi áp suất bằng
nhau. (Lực để tạo cân bằng ny chính l cái đã tạo ra tiếng rít khi bạn mở một hộp
c phê đợc rút chân không). Mặt khác, nếu nh áp suất
ở bên trong hộp chứa lớn
hơn, không khí sẽ bị dồn ra ngoi cho đến khi áp suất bên trong giảm để bằng
không khí xung quanh. Trong cả hai trờng hợp, trong khoảnh khắc áp suất không
khí tác động lên phía ngoi của hộp chứa sẽ trở thnh đúng bằng áp suất ở bên
trong. Thí dụ ny dẫn ta đến một đặc điểm khác của không khí: nó luôn di chuyển
để tạo ra một sự cân bằng giữa các khu vực áp suất cao v thấp.
Cái m chúng ta trải nghiệm đợc nh l áp suất khí quyển thực ra l khối
lợng của không khí ở bên trên chúng ta bị lôi kéo xuống phía dới bởi trọng lực.
Nói cách khác, áp suất tại điểm no đó phản ánh khối lợng khí quyển bên trên
điểm ấy. Khi chúng ta cng đi lên cao trong khí quyển, khối lợng khí quyển phía
trên phải giảm v áp suất cũng phải giảm. Chúng ta cảm nhận đợc sự thay đổi đó,
ví dụ trong chiếc thang máy đi lên nhanh, ở đó sự giảm áp suất có thể dẫn đến ù
tai. Nhớ rằng áp suất l biến duy nhất luôn giảm theo phơng thẳng đứng trong số

áp suất bề mặt l áp suất thực sự quan trắc đợc tại một vị trí cụ thể, còn áp
suất mực biển l áp suất sẽ tồn tại nếu nh điểm quan trắc nằm tại mực nớc biển.
Vì phần lớn bề mặt đất đều ở bên trên mực biển, nên áp suất bề mặt thờng l thấp
hơn trong hai áp suất. Ví dụ, hãy so sánh các áp suất bề mặt tại đỉnh núi cao v
thung lũng ngay bên cạnh trên hình 4.2. Mặc dù khí quyển phân bố đồng đều trên
vùng quan sát, áp suất bề mặt tại vị trí núi nhỏ hơn một cách đáng kể so với tại
thung lũng.
Hình 4.2. Do áp suất khí quyển thích ứng với trọng l~ợng của khí quyển nằm bên trên, nên nó
luôn giảm theo cao độ. áp suất ở đỉnh núi P
2
nhỏ hơn áp suất ở chân núi P
1
vì l~ợng không khí
nằm bên trên nhiều hơn. Vì vậy phải phân biệt áp suất không khí bề mặt với áp suất mực biển
áp suất mực biển cho phép chúng ta so sánh áp suất tại những vị trí khác

*
áp suất ở phía dới cánh tay bạn lớn hơn rất ít so với ở phía trên. Đó l vì áp suất luôn
giảm theo độ cao v ở phía trên của cánh tay bạn chỉ cao hơn vi cm so với phía dới. Tuy
nhiên, sự chênh lệch ny l rất nhỏ v có thể bỏ qua trong ví dụ ny.

131
nhau, tính đến những khác biệt về cao độ. Đối với những vị trí không quá cao bên
trên mực nớc biển, chúng ta có thể có đợc chỉ thị tốt về áp suất mực nớc biển
bằng cách giả định sự thay đổi đều của áp suất theo cao độ. Ví dụ, tại cao độ 150 m,
ta cộng thêm 14 mb vo áp suất bề mặt để nhận đợc áp suất mực nớc biển
(khoảng 1 mb tăng lên cho từng 10 m). Tuy nhiên, đối với những nơi với cao độ lớn,
phơng pháp ny không tin cậy, vì chúng ta phải tính đến sự nén của khí quyển.
Hình 4.3. Với từng 5,5 km độ cao áp suất giảm khoảng một nửa
Nh đã thấy ở hình 4.3, áp suất không giảm theo độ cao với một tốc độ đều.

nhau nh thế no.
Vận tốc v gia tốc
Mỗi vật no đó chuyển động có tốc
độ
cụ thể, đợc định nghĩa l khoảng cách
đi đợc trong một đơn vị thời gian. Tốc độ
liên quan đến vận tốc, nhng không l
một nh vận tốc.
Vận tốc gắn liền với
hớng chuyển động cũng nh tốc độ. Ví
dụ, hãy xét hai xe ô tô chạy với 20 m một
giây, nhng di chuyển theo hai hớng
ngợc nhau. Mặc dù chúng có cùng tốc độ,
nhng các vận tốc của chúng không bằng
nhau do các hớng chuyển động khác
nhau. Sự phân biệt ny rất quan trọng để
hiểu đợc một đại lợng tiếp theo của
chúng ta -
gia tốc, sự thay đổi về vận tốc
(không phải tốc độ) theo thời gian.
Do vận tốc gồm cả tốc độ v hớng,
sự thay đổi hoặc hớng hoặc tốc độ l gia
tốc. Ví dụ, xét một xe ô tô tại một thời
điểm chạy với tốc độ 20 m/s, một giây sau
chính ô tô đó có tốc độ 19 m/s; sau một
giây nữa tốc độ l 18 m/s v tiếp tục nh
thế. Khi mỗi giây qua đi, tốc độ của xe
giảm 1 m/s (lu ý rằng gia tốc có thể có giá
trị dơng hoặc âm nh trong thí dụ ny).
Gia tốc cũng có thể xảy ra nh khi có

niệm
lực (ký hiệu l F ) với khối lợng
(
m ) v gia tốc ( a ). Cụ thể, định luật thứ
hai của Newton nói rằng gia tốc của một
vật thể tỷ lệ thuận với lực tác động lên
nó v tỷ lệ nghịch với khối lợng của nó.
Bằng ký hiệu, điều ny đợc biểu diễn
nh sau
m
F
a

=
hoặc maF = .
Hãy hình dung một xe tải 18 bánh
xe chất hng nặng dừng lại theo đèn
hiệu đỏ ngay sau một xe đạp. Khi đèn
hiệu chuyển sang mu xanh, cả hai bắt
đầu tăng tốc với cùng cờng suất. Dễ
thấy rằng, nếu nh cả hai duy trì vị trí
liền nhau, thì xe tải nặng nề hơn nhiều
sẽ đòi hỏi một lực lớn hơn (v động cơ
mạnh hơn). Tơng tự nh vậy, nếu hai
vật thể với cùng khối lợng chịu các lực
khác nhau, vật no chịu lực lớn hơn sẽ có
một gia tốc lớn hơn.

133
Hình 1. Lực hớng xuống phía dới của khí quyển bằng khối lợng ton bộ khí quyển

cần để tăng tốc cho 1 kg vật 1 m/s trong
mỗi 1 giây).
Lực đem chia cho diện tích m nó
tác động lên sẽ bằng áp suất. Vậy nếu
chia lực
19
1005 ì, N cho diện tích bề mặt
Trái Đất, sẽ cho ta lực trung bình trên
diện tích đơn vị, hay áp suất bề mặt
trung bình bằng khoảng
13210, N/cm
2
.

134
Giá trị ny tơng đơng 1013,2 mb,
hay gần 14,7 pao/ inch
2
.
Khi đã phân biệt giữa lực v áp suất,
bây giờ ta đặt câu hỏi sự khác biệt đó thể
hiện trong khí quyển nh thế no. Đáp án
l: mặc dù tổng lực của khí quyển gần nh
không đổi, các chất khí không phân bố
đồng đều trên hnh tinh.
áp suất cao hơn
tồn tại ở nơi cột khí quyển chứa nhiều
phân tử hơn, còn áp suất thấp hơn đợc
thấy ở nơi chứa ít hơn. Còn vấn đề
những chênh lệch áp suất đó diễn ra nh

Vấn đề ny dẫn đến một sự nhầm lẫn phổ biến. Trong công chúng (v một số
sinh viên) thờng có thói quen tìm kiếm một mối liên hệ giản đơn giữa nhiệt độ v
áp suất. Chúng ta có thể nghe nói áp suất đang giảm, trời sẽ trở rét, hoặc l trời
nóng chắc chắn áp suất sẽ cao. Nhng phơng trình trạng thái nói rằng những
phát biểu mơ hồ nh thế không đúng. Một biến thứ ba, mật độ, có thể đảo lộn
những thay đổi của hai biến kia. Ví dụ, trên các đồng bằng của Bắc Mỹ, áp suất cao
tiếp sau một trận bão mùa đông thờng mang theo nhiệt độ lạnh cóng, chứ không
phải cái ấm áp dễ chịu. Mặc dù l trái ngợc đối với linh nghiệm của một số ngời,
song hiện tợng nh vậy l hon ton phù hợp phơng trình trạng thái.
Đo áp suất
Dụng cụ đo áp suất đợc gọi l áp kế. Hai loại áp kế đợc sử dụng phổ biến
nhất trong quan trắc thông thờng: một loại cấu tạo từ một ống tuýp có chứa một
phần thủy ngân v loại thứ hai sử dụng các hộp khoang xếp.
áp kế thủy ngân
Dụng cụ tiêu chuẩn để đo áp suất l áp kế thủy ngân (hình 4.4), sáng chế của
Evangelista Torricelli năm 1643. Đó l một dụng cụ đơn giản chế tạo bằng cách cho
thủy ngân vo trong một ống tuýp di v sau đó đảo ngợc đầu tuýp để thủy ngân
chảy vo một bầu chứa. Mặc dù ống tuýp đợc đảo đầu, nó vẫn không rỗng. Ngợc
lại, không khí tuồn xuống phía dới đến bầu chứa thủy ngân v lm cho một phần
thủy ngân nổi lên phía trên vo trong ống tuýp.
áp suất không khí cng lớn, thì cột

135
thủy ngân cng cao.
áp suất của áp kế thờng đợc biểu diễn bằng độ
cao của cột thủy ngân trong một áp kế, tại mực biển
độ cao đó về trung bình l 76 cm (29,92 inch). Tuy
nhiên, phép đo ny không phù hợp với khái niệm về
áp suất, bởi vì áp suất không có đơn vị của độ di. Nói
cách khác, biểu diễn áp suất của áp kế bằng cm hoặc

đổi số đo áp suất bề mặt về các giá trị tại mực nớc biển. Đối với một trạm quan
trắc nằm ở độ cao 100 m trên mực biển, phải cộng thêm khoảng 1 cm, tơng ứng với
khoảng 13 mb. Tại các cao độ lớn hơn, cần phải có hiệu chỉnh lớn hơn. Chẳng hạn,
tại Denver, Colorado (gọi l Thnh phố cao 1 dặm), số hiệu chỉnh bằng khoảng 16
cm hay 213 mb.
Hiệu chỉnh thứ hai liên quan tới sự giống nhau giữa áp kế thủy ngân v nhiệt
kế. Vì thủy ngân trong nhiệt kế giãn nở khi nhiệt độ tăng, thủy ngân trong áp kế

136
cũng nh vậy. Sự giãn nở lm giảm mật độ của chất lỏng v đòi hỏi nó đạt tới một
độ cao lớn hơn để bù lại trọng lợng khí quyển. Nói cách khác, vo ngy nóng độ cao
của cột thủy ngân cao hơn ngy lạnh, ngay cả khi áp suất khí quyển nh nhau. Vì
lý do ny, nên các áp kế thủy ngân luôn có một nhiệt kế gắn kèm theo để xác định
nhiệt độ của dụng cụ, còn bảng hiệu chỉnh cho chúng ta biết độ cao của cột thủy
ngân phải bằng bao nhiêu nếu nh nhiệt độ bằng giá trị chuẩn 0
o
C (32
o
F). Tại
nhiệt độ chuẩn trong phòng, hiệu chỉnh ny nhỏ, chỉ cần trừ bớt khoảng 2,5 mm.
Hiệu chỉnh thứ ba tính đến gia tốc trọng trờng biến thiên nhẹ theo vĩ độ. Để
chuẩn hóa các số đo từ tất cả các vĩ độ, chúng ta quy đổi chúng về giá trị m chúng
phải có nếu nh trọng lực địa phơng bằng trọng lực tại 45
o
vĩ nam hoặc bắc, hay
bằng trung bình giữa xích đạo v các cực. Tuy nhiên, những biến thiên trọng lực
theo vĩ độ l nhỏ v các hiệu chỉnh thờng có cỡ 0,25 mm.
4-2: Những nguyên lý vật lý:
Các biến thiên của mật độ
Có lẽ bạn từng phân vân không khí

o
F) v một ngy lạnh
với nhiệt độ 278 K (5
o
C hay 41
o
F). Để cho
nhất quán, ta sẽ giả định rằng áp suất l
100
000 Pa (1000 mb; 100 kPa) trong cả
hai tình huống.
áp dụng phơng trình trạng thái
cho ngy ấm, ta tìm đợc mật độ không
khí bằng
3
11
131
308287
100000
kg/m,
kgJ
Pa
=
ì
=

KK

*
.

) v Nitơ (N
2
) lm thnh
phần lớn khối lợng của khí quyển v
tồn tại ở một tỷ phần không đổi. Các hợp
phần khác, ít hơn của khí quyển có mặt
với những lợng khác nhau tại các vị trí
v thời gian khác nhau, v do mỗi hợp
phần có phân tử lợng riêng của mình
(thể hiện của khối lợng tơng đối của
các phân tử), hm lợng tơng đối của
chúng có thể ảnh hởng nhẹ tới mật độ
của khí quyển. Trong số các chất khí đó,
hơi nớc thờng chiếm khoảng 1 % khối

137
lợng không khí. Theo linh tính, chúng ta
có thể cho rằng độ ẩm lớn hơn sẽ lm cho
khí quyển đậm đặc hơn. Sự thật thì điều
ngợc lại mới đúng.
Hãy so sánh khối lợng chứa trong
các phân tử riêng rẽ của hơi nớc v của
các chất khí khí quyển phong phú nhất.
Trọng lợng phân tử nitơ v ôxy lần lợt
l 28,01 v 32,00 v trọng lợng trung
bình của khí quyển khô l 28,5. Mặt khác,
hơi nớc có trọng lợng phân tử chỉ l
18,01. Do đó, nếu tỷ phần không khí chứa
hơi nớc tăng, thì phải kéo theo sự suy
giảm về trọng lợng trung bình của khí

áp kế hộp
Các áp kế thủy ngân l những dụng cụ có độ chính xác cao, nhng cũng đắt
tiền v không thuận tiện khi di chuyển. Một dụng cụ thay thế khác để quan trắc áp
suất l
áp kế hộp (aneroid barometer - có nghĩa l không dùng chất lỏng) (hình
4.5a).
áp kế hộp tơng đối rẻ tiền v có thể cũng chính xác. Nó bao gồm một hộp có
thể co giãn, từ đó một phần không khí bị loại bỏ (b). Trọng lợng của khí quyển tác
động lên hộp v nén chúng với một lợng tỷ lệ thuận với áp suất không khí. Một
thiết bị con trỏ kết nối một cơ cấu đòn bẩy v chỉ thị áp suất không khí.
Hình 4.5. áp kế hộp (a) v cơ chế vận hnh (b), áp ký (c)
áp kế hộp, thờng đợc đặt trong nh, phải đợc hiệu chuẩn ở lần lắp đặt đầu
tiên. Ngời dùng chỉ cần biết áp suất mực biển hiện tại v ci đặt thiết bị bằng cách
vặn nút chỉnh ở mặt sau của vỏ máy. Do không có chất lỏng giãn nở trong áp kế
hộp, nên dụng cụ ny không đòi hỏi hiệu chỉnh nhiệt độ. Ngoi ra, các hiệu ứng của
cao độ v vĩ độ đã đợc tính đến khi thiết bị ny đợc hiệu chuẩn lần đầu. Do đó,

138
một khi đã hiệu chuẩn, áp kế hộp cho ta áp suất mực biển không cần những hiệu
chỉnh v quy đổi.
Đôi khi ta cần ghi áp suất liên tục trong thời gian. Những cơ cấu áp kế biểu
diễn các giá trị liên tục của áp suất đợc gọi l các
áp ký (hình 4.5c). Một trống
xoay (thờng đặt chế độ xoay một vòng mỗi tuần) lm xoay băng giấy để ngòi bút vẽ
nên đồ thị của áp suất biến đổi.
Sự phân bố áp suất
Phân bố áp suất mực biển trên Trái Đất l đặc trng cực kỳ quan trọng v biến
thiên mạnh của khí quyển. Để hiển thị trực quan sự phân bố áp suất, các nh khí
tợng học vẽ những đờng gọi l các đờng đẳng áp trên các bản đồ thời tiết.
Hình 4-6. Một bản đồ thời tiết biểu diễn phân bố áp suất mực biển ngy 4-3-1994. L~u ý áp

lực građien áp
suất
, nó lm cho không khí chuyển động. Với các građien áp suất đợc đo tại độ cao
không đổi, chúng ta dùng thuật ngữ lực građien áp suất phơng ngang v gọi
chuyển động kết quả l gió. Nếu mọi thứ khác đều nh nhau, thì lực građien áp
suất cng lớn, tốc độ gió cng mạnh.
Građien áp suất phơng ngang. Bản đồ áp suất mực biển trên hình 4.6 rất
điển hình, nó có những khu vực áp suất thấp v áp suất cao với cờng độ trung
bình. Lu ý rằng những biến thiên áp suất trên bản đồ ny l nhỏ.
áp suất nhỏ
nhất quan trắc đợc l 977 mb, còn áp suất lớn nhất khoảng 1021 mb. Chênh lệch
44 mb ở đây thể hiện khoảng 4 % của áp suất trung bình. Cũng nên lu ý rằng
khoảng cách vật lý phân chia các khu vực áp suất cao v áp suất thấp bằng khoảng
3000 km. Do đó, về trung bình các građien áp suất trên bản đồ ny có cỡ 40 mb trên
3000 km hay 1 mb trên 75 km. Rõ rng, ít ra l ở quy mô lục địa các građien áp
suất thờng nhỏ.
ở một quy mô nhỏ hơn, các građien áp suất ngang có thể lớn hơn. Ví dụ, những
trận bão có građien lớn, sinh gió mạnh v hủy diệt. Nhng thậm chí một cơn bão có
thể có áp suất ở phần bên trong nó chỉ khoảng 50 mb nhỏ hơn so với vùng bên ngoi
bão cách xa khoảng 300 km. Một cơn bão nh thế có thể có biến thiên áp suất 1 mb
trên khoảng cách 6 km, tạo ra một độ chênh lệch chỉ khoảng 5% về áp suất trên
một khoảng cách đáng kể. Vấn đề l thậm chí với những građien áp suất ngang lớn
nhất, thì các građien đó vẫn l rất nhỏ so với áp suất trung bình. Đó l điều tơng
phản đáng chú ý so với các građien áp suất thẳng đứng, ở trờng hợp ny, trong
phạm vi một khoảng cách thẳng đứng chỉ bằng nửa km áp suất có thể giảm 50 mb.
Građien áp suất thẳng đứng. Chúng ta đã thấy rằng áp suất khí quyển luôn
luôn giảm theo độ cao. Ví dụ, trên hình 4.3, hãy lu ý rằng áp suất mực biển trung
bình bằng 1013,2 mb giảm xuống tới 500 mb ở độ cao 5640 m. Do đó, građien áp
suất thẳng đứng trung bình trong nửa bên dới của khí quyển bằng khoảng 500 mb
trên 5640 m, hay nhỏ hơn 1 mb trên từng 10 m. Hãy so sánh con số ny với građien

trờng v građien áp suất thẳng đứng thờng gần cân bằng nhau, song giá trị
chính xác của mỗi lực biến đổi theo vị trí v theo thời gian. Trọng lực hớng xuống
dới trên một thể tích không khí tỷ lệ thuận với khối lợng của nó (nhớ rằng lực =
khối lợng
ì
gia tốc), nên khí quyển đậm đặc chịu một trọng lực lớn hơn so với khí
quyển loãng. Do đó, nếu khí quyển đậm đặc muốn duy trì trong cân bằng thủy tĩnh,
thì nó phải có một lực građien áp suất thẳng đứng lớn hơn để bù trừ trọng lực.
Ta xét hai cột không khí nh nhau trên hình 4.7a. Nếu cột ở bên phải đợc lm
nóng, nh trên hình 4.7b, không khí giãn nở lên phía trên lm cho mật độ của nó
giảm đi. Không có sự thay đổi về khối lợng, nên áp suất vẫn l 1000 mb tại bề
mặt. Tuy nhiên, áp suất mực 500 mb cao hơn trớc v građien áp suất thẳng đứng
nhỏ hơn. Nói khác đi, cột đợc lm nóng có mật độ bé hơn so với cột không đợc lm
nóng, dẫn đến một građien áp suất thẳng đứng nhỏ hơn. Nhận xét đơn giản ny có
một số hệ quả rất quan trọng đối với các chuyển động phơng ngang v phải đợc
hiểu cặn kẽ trớc khi tiếp tục. (Để biết những chi tiết toán học về quan hệ giữa mật
độ v građien áp suất thẳng đứng, xem chuyên mục
4-3: Những nguyên lý vật lý:
Phoơng trình thủy tĩnh
).

141
Hình 4.7. Hai cột không khí với các nhiệt độ, áp suất v mật độ bằng nhau (a).
Lm nóng cột bên phải (b) lm cho nó giãn nở lên phía trên. Nó vẫn giữ nguyên
khối l~ợng, nh~ng có mật độ bé hơn để bù lại cho độ cao lớn hơn. Vì chênh lệch
áp suất giữa đáy v đỉnh vẫn l 500 mb, nên građien áp suất thẳng đứng bé hơn
Građien áp suất ngang trong lớp khí quyển trên cao
Nh chúng ta đã thấy, áp suất khí quyển giảm nhanh hơn theo độ cao ở trong
cột không khí lạnh v đậm đặc. Xem hình 4.7b, bạn có thể thấy rằng tại độ cao của
đỉnh của cột lạnh, nơi áp suất bằng 500 mb, áp suất lớn hơn so với 500 mb ở trong

:
g
z
p

=


.
Theo quy ớc, ký hiệu delta
)( có
nghĩa l biến thiên. Trong trờng hợp
ny,
p l biến thiên của áp suất, còn z
l biến thiên của độ cao. Vậy,
zp / ở vế
trái phơng trình l biến thiên của áp
suất trên một đơn vị tăng độ cao.
Chúng ta đã gặp ký hiệu

v
g
trớc đây cho mật độ v gia tốc trọng lực.
Dấu trừ ở vế phải l để tính đến áp suất
giảm theo độ cao; tức l vế trái luôn âm.
Để hai vế cân bằng, vế phải cũng
phải âm.
Nh vậy, phơng trình thủy tĩnh
nói rằng tốc độ suy giảm của áp suất với
độ cao bằng tích của mật độ không khí



z
p
.
Cột không khí lạnh:
Pa/m,),(, 8128931 ==


z
p
.
Điều ny khẳng định lập luận của
chúng ta trớc đây, rằng áp suất giảm
nhanh hơn trong một cột không khí
lạnh, nặng so với một cột không khí ấm.
Nh chúng ta đã bn luận ở phần chính
văn, hiện tợng ny gây nên một
građien áp suất ngang ở lớp trên giữa
không khí nóng v lạnh.
Hình 4.9. Phân bố của độ cao mực 500 mb ngy 3-5-1995
(đ~ờng đồng mức độ cao ghi nhãn bằng đơn vị đềcamét)
Hình 4.9 biểu diễn một bản đồ 500 mb thực của ngy 3-5-1995. Các đờng
đồng mức độ cao đợc đánh nhãn l đềcamét (1 Dm = 10 m). Vậy các độ cao biến
thiên từ 5880 m ở phía nam đến 5220 m ở cận tây bắc. Những đờng đồng mức của

144
các bản đồ 500 mb đợc vẽ cách nhau từng 60 m (tức 6 Dm). Nhìn chung, bức tranh
ny phù hợp với sự giảm về độ cao từ phía nam lên phía bắc, tuân theo građien
nhiệt độ từ phía nam đến phía bắc.

lực Coriolis
*
(hoặc hiệu ứng Coriolis), cũng l nguyên nhân đổi hớng bay
của các viên đạn súng thần công, chim di c v máy bay phản lực. Thật vậy, nó ảnh
hởng tới mọi thứ di chuyển trong một hớng no đó.
Để xét hiệu ứng m sự xoay của Trái đất tác động lên các vật chuyển động, hãy
tởng tợng một nền xoay ngợc chiều kim đồng hồ nh trên hình 4.10. (Hình ny
đợc lấy trực tiếp từ phần bi
Hoớng dẫn về lực Coriolis trong đĩa CD kèm theo

*
Theo tên của G. G. Coriolis (1792-1843), ngời đa ra giải thích toán học đầu tiên cho
hiện tợng ny.

145
cuốn sách ny. Ngời hớng dẫn biểu diễn những chuyển động thực tơng đối so
với một nền xoay, v do đó, minh họa hiện tợng theo một cách không thể lặp lại
bằng các hình vẽ tĩnh.
Bạn rất nên tận dụng bui hoớng dẫn nuy). Khi một viên đạn
chuyển động theo một hớng thẳng, nó lợn thnh một đờng cong tơng đối so với
nền quay ở dới nó. Điều ny cũng chính xác giống nh hiện tợng có thể xảy ra
nếu nh hai ngời ở trên vòng đu xoay đang quay quan sát một quả bóng đang bay
ngay ở phía trớc. Thậm chí nếu nh quả bóng lúc đầu chuyển động thẳng tới một
trong hai ngời, thì ngời ấy cũng không thể bắt đợc quả bóng, vì anh ta hoặc chị
ta đã bị di chuyển ra khỏi đờng đi của quả bóng bởi sự quay của chiếc đu. Đối với
ngời đứng trên nền, quả bóng sẽ nh l quay ngoặt sang bên phải nó (giả sử nền
xoay theo hớng ngợc chiều kim đồng hồ), thậm chí anh ta đã nghĩ trong thực tế
nó đang chuyển động trên một đờng thẳng.
Hình 4.10. Khi vật di chuyển trên một bề mặt xoay, chuyển động của vật tỏ ra lệch khỏi
đích. Quả bóng ở tâm của nền xoay ng~ợc chiều kim đồng hồ ở (a) chuẩn bị di chuyển về

4-4: Những nguyên lý vật lý:
Hiệu ứng Coriolis
Khi mô tả gió v những chuyển động
khác, chúng ta phải theo quy ớc lấy bề
mặt lm một khung tham chiếu. Ví dụ,
khi chúng ta nói gió 10 m/s, có nghĩa l
không khí di chuyển qua bề mặt với tốc độ
10 m/s. Do bề mặt xoay, chúng ta mô tả
các chuyển động tơng đối so với khung
tham chiếu đang xoay. Kết quả l một vật
chuyển động trên một đờng thẳng so với
các ngôi sao thnh ra đi theo một đờng
vòng cung trên bề mặt Trái Đất, nh trên
hình 4.10. Trên hình 4.10a, quả bóng
đang nằm tại tâm của một nền xoay ngợc
chiều kim đồng hồ. Khi nó di chuyển về
phía mốc chốt (b) v (c), thì nền đang xoay
ở phía nơi quả bóng. Đến lúc quả bóng đạt
tới rìa (d), mặt nền đã quay đi đáng kể v
mốc chốt mục tiêu của quả bóng cũng thế.
Nếu dùng mặt nền lm một khung tham
chiếu, quả bóng thnh ra đã bị quay ngoặt
về bên phải, mặc dù chúng ta biết quả
bóng đã đi trên một đờng thẳng.
Độ lớn của lực Coriolis đợc xác
định bằng tốc độ m hnh tinh quay
(hằng số), tốc độ của vật (hoặc gió) khi
nó chuyển động qua bề mặt v vĩ độ. Một
cách chính xác hơn, độ lớn đó có thể biểu
diễn bằng

thay thế lẫn nhau.
Sau khi nghiên cứu bi chỉ dẫn trên đĩa CD về chủ đề ny, chúng ta nên nắm
vững bốn đặc điểm cơ bản sau đây của lực Coriolis:

147
1) Lực Coriolis lm lệch hớng tất cả các vật chuyển động, bất kể chúng
chuyển động theo hớng no. Hớng quay sang bên phải ở Bắc bán cầu v
sang bên trái ở Nam bán cầu.
2) Lực Coriolis bằng 0 tại xích đạo v tăng lên khi vĩ độ tăng, đạt giá trị cực đại
tại các cực.
3) Lực Coriolis tác động lên vật chuyển động tăng lên cùng với tốc độ của vật.
4) Lực Coriolis chỉ lm thay đổi hớng của một vật chuyển động, m không
thay đổi tốc độ của nó.
Lực Coriolis không lớn so với những lực thờng gặp khác. Để tạo ra đợc
những hiệu ứng có thể thấy đợc, lực Coriolis phải tác động trong những khoảng
thời gian tơng đối di. Nó quan trọng chủ yếu đối với chuyển động của các vật di
chuyển trên những khoảng cách di, nh không khí quay vòng quanh một cơn bão.
Đối với các chuyển động diễn ra trên những khoảng cách ngắn, hiệu ứng của nó có
thể bỏ qua. Nh vậy, mặc dù một cú ném bóng cũng chịu đựng một sự lệch hớng
nho nhỏ do Trái Đất xoay, nhng lệch hớng ít đến nỗi đó không thể l lý do biện
hộ cho một lỗi ném trợt đích. Cũng vì lý do đó, lực Coriolis không ảnh hởng thật
sự tới chuyển động của xoáy nớc trong bồn tắm hay chậu rửa trong phòng bếp, trái
ngợc với gì m nhiều ngời nghĩ. Nớc có xoay vòng theo chiều hay ngợc chiều
kim đồng hồ hay không thờng l do sự bất đối xứng của hình dạng bồn nớc, hay
do hớng xoáy ban đầu của nớc khi chảy từ vòi ra quyết định. Gia tốc Coriolis có
mặt, nhng nó không thể tạo ra những thay đổi đáng kể về hớng, vì nó có quá ít
thời gian để tác động trớc khi n
ớc đạt tới lỗ thoát.
4-5: Những nguyên lý vật lý:
Phơng trình chuyển động

F l hiệu ứng Coriolis v
f
F l ma sát.
Nhớ lại rằng lực trên khối lợng đơn vị
l gia tốc
)/( amF = ; do đó, tất cả ba số
hạng ở vế phải phơng trình l các gia
tốc: gia tốc do građien áp suất, gia tốc
Coriolis v gia tốc ma sát.
ở vế trái l
biến đổi vận tốc trong 1 đơn vị thời gian,
cũng l gia tốc.
Một cách đơn giản, phơng trình
chuyển động chỉ ra rằng gia tốc m một
khối lợng không khí nhận đợc l tổng
của các gia tốc do ba lực vừa nêu gây ra.

148
Phơng trình chuyển động l một
biểu thức của sự bảo ton động lợng.
Giống nh chúng ta biết những biến đổi
nhiệt độ không tự dng m có, chúng ta
biết rằng gia tốc không thể bất ngờ xuất
hiện, m sinh ra từ một tổ hợp các lực.
Rất nhiều khi các số hạng riêng rẽ
trong phơng trình chuyển động gần nh
loại trừ lẫn nhau, cho nên gia tốc của
không khí thờng nhỏ hơn nhiều so với
các gia tốc riêng rẽ. Đây không phải l
ngẫu nhiên. Ngợc lại, các gia tốc ny tác

quyển. Nó l cốt lõi của các chơng trình
máy tính lớn dùng trong dự báo thời tiết
v trong các mô hình hon lu chung để
nghiên cứu biến đổi khí hậu quy mô ton
cầu. Trong một ti liệu nhập môn nh
cuốn sách ny, nó dùng để nêu khái
niệm, khích lệ sinh viên tìm tòi những
lực gây nên những biến đổi của gió.
Ma sát
Nhân tố khác ảnh hởng tới chuyển động của không khí l ma sát. Không khí
tiếp xúc với bề mặt chịu sức cản ma sát, nó lm giảm tốc độ gió. Không khí ở ngay
sát ngay bên trên, tiếp xúc với lớp gần bề mặt chuyển động chậm, cũng chịu sức cản
ma sát, nhng từ phía không khí nằm dới, chứ không phải từ phía bề mặt. Khi lớp
không khí ny bị giảm tốc độ, thì không khí ở cao hơn cũng bị tác động tơng tự.
Nh vậy, các hiệu ứng của ma sát bắt nguồn từ bề mặt, nhng biểu hiện trong ton
lớp khí quyển tầng thấp.
Nói chung, ma sát quan trọng trong phạm vi lớp 1,5 km phía dới của khí
quyển - thờng gọi l
lớp biên hnh tinh, hay đơn giản l lớp biên. Ma sát lm
chậm tốc độ gió ứng với građien áp suất đã cho, cũng lm giảm lực Coriolis. Ngợc
lại, không khí trong
khí quyển tự do ở bên trên khoảng 1,5 km chỉ bị ma sát
không đáng kể. Trong điều kiện không có ma sát, gió trong lớp khí quyển tầng cao
đơn giản hơn nhiều. Do đó, chúng ta bắt đầu bn luận bằng việc mô tả những hình
thế gió của lớp khí quyển trên cao.
Gió trong khí quyển trên cao
Hình 4.11 minh họa kiểu hình thế áp suất đơn giản nhất có thể tồn tại trong
khí quyển tự do. Trong trờng hợp ny, các đờng đồng mức độ cao thẳng v song
song với nhau, lực građien áp suất hớng lên phía bắc. Giả thiết rằng một quả cầu


lực Coriolis tác động.
Bạn có thể phân vân tại sao dòng không khí trên hình 4.12d không quay ngợc
trở lại khu vực áp suất cao. Câu trả lời đơn giản nhất l nếu nh nó chuyển động
trên hớng ny, thì nó phải trôi ngợc với lực građien áp suất. Điều đó sẽ lm chậm
dòng không khí, lm giảm lực Coriolis v do đó, lm cho dòng quay trở về phía bản
thân nó. Cũng nh vậy, nếu dòng không khí quay hớng về phía bắc, không khí sẽ
nhận một lực đẩy từ lực građien áp suất. Điều đó dẫn đến một gia tốc Coriolis lớn
hơn, nó sẽ lm cho không khí quay về phía nam. Chúng ta thấy rằng dòng địa
chuyển l ổn định, nghĩa l một khi đợc hình thnh, thì không dễ gì phá vỡ. (Để
xét một cách chi tiết hơn về quá trình ny, hãy xem bi hớng dẫn
Các lực vu
chuyển động khí quyển
trong đĩa CD-ROM của sách ny).
Dòng siêu địa chuyển v tựa địa chuyển
Tình huống đợc diễn tả trên hình 4.11 l một trờng hợp đơn giản, trong đó
lực građien áp suất đồng nhất, các đờng đồng mức thẳng v song song trên ton
vùng. Những tình huống nh vậy xảy ra trong tự nhiên, nhng l ngoại lệ hơn l
thông lệ. Một trờng hợp phân bố áp suất phổ biến hơn l kiểu đợc biểu diễn trên
hình 4.13, trong đó các đờng đồng mức độ cao cong v các khoảng cách giữa các
đờng thay đổi. Trong điều kiện không có lực ma sát, không khí trôi song song với
các đờng đồng mức bởi cùng những nguyên nhân nh trong dòng địa chuyển.
Nhng kiểu dòng ny không thực sự l địa chuyển, bởi vì nó liên tục thay đổi hớng
v do đó, nó có gia tốc. Để không khí trôi theo các đờng đồng mức, ở đây phải có
một sự liên kết liên tục giữa các lực građien áp suất v Coriolis. Các nh khí tợng
học gọi chuyển động ny l
dòng građien (hay gió građien). Giống nh dòng địa
chuyển, dòng građien chỉ phát triển khi vắng mặt lực ma sát, v gió thổi vuông góc
với građien áp suất. Trên thực tế, dòng địa chuyển chỉ l một trờng hợp đặc biệt
của dòng građien, nó xuất hiện trong trờng hợp các đờng đồng mức độ cao thẳng
v song song.