Giới thiệu về Khí Quyển Trái Đất | Khoa học trái đất và sự sống | Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội
Giới thiệu - Các khái niệm cơ bản - Các chủ đề tập trung giảng dạy và thảo luận - Lịch sử hình thành của khí quyển • Một số thông số liên quan đến khí quyển - Khí hậu; Áp suất; Nhiệt độ, nhiệt tìm năng; Bức xạ; Khái quát về hoàn lưu khí quyển • Bức xạ mặt trời và phản ứng quang hóa - Các định nghĩa, lý thuyết cơ bản - Cân bằng năng lương cho trái đất và khí quyển - Định luật Beer-Lambert và độ dày quang học. Tài liệu được sưu tầm và soạn thảo dưới dạng file PDF để gửi tới các bạn cùng tham khảo, ôn tập đầy đủ kiến thức, chuẩn bị cho các buổi học thật tốt. Mời bạn đọc đón xem!
Môn: Khoa học trái đất và sự sống 10 tài liệu
Trường: Trường Đại học Khoa học tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội 0.9 K tài liệu
Tác giả:
Preview text:
9/11/2024
GIỚI THIỆU VỀ KHOA HỌC KHÍ QUYỂN
(Introduction of atmospheric science)
Giảng viên: TS. Nguyễn Lý Sỹ Phú
Khoa Môi Trường – -HCM ĐHKHTN, ĐHQG 1 1
Nội dung các chương • Giới thiệu - Các khái niệm cơ bản
- Các chủ đề tập trung giảng dạy và thảo luận
- Lịch sử hình thành của khí quyển
• Một số thông số liên quan đến khí quyển
- Khí hậu; Áp suất; Nhiệt độ, nhiệt tìm năng; Bức xạ; Khái quát về hoàn lưu khí quyển
• Bức xạ mặt v
trời à phản ứng quang hóa
- Các định nghĩa, lý thuyết cơ bản - Cân bằng năng cho trái lương đất và khí quyển
- Định luật Beer-Lambert và độ dày quang học 2 2 1 9/11/2024
Nội dung các chương
Bức xạ mặt trời và phản ứng quang hóa (tt)
- Phản ứng quang hóa trong không khí
- Công cụ đo đạc bức xạ mặt trời
- Mạng lưới AERONET và thiết bị sử dụng năng lượng bức x tìm ạ hiểu ô nhiễm không khí
Khuếch tán trong môi trường không khí
- Cách tiếp cận Eulerian - Cách tiếp Lagrangian cận - So sánh 2 cách tiếp cận
- Lý thuyết về khuếch tán do xáo trộn không khí và phân bố Gaussian 3 3
Tài liệu sử dụng
• Atmospheric Chemistry and Physics: From Air Pol ution to Climate Change,
3rd Edition (John H. Seinfeld, Spyros N. Pandis)
• An Introduction to Boundary Layer Meteorology (Roland b. Stul )
• Scientific papers and websites 4 4 2 9/11/2024 Khí quyển
• “The atmosphere is a layer of gas and
suspended solids extending from the Earth's
surface up many thousands of miles, becoming
increasingly thinner with distance but always
held by the Earth's gravitational pul ” - NOOA
• Bầu khí quyển là một lớp khí và chất rắn lơ lửng
kéo dài từ bề mặt Trái đất lên hàng nghìn dặm,
ngày càng trở nên mỏng hơn khi lên cao nhưng luôn chịu tác độn
g của lực hấp dẫn của Trái đất. 5 5
Tác dụng của khí quyển
• Bầu khí quyển bao quanh Trái đất và chứa không khí mà chúng ta hít thở; bảo
vệ chúng ta khỏi không gian bên ngoài; và giữ độ ẩm (mây), khí và các hạt nhỏ.
• Lớp bảo vệ này bao gồm một số loại với bốn loại khí hàng đầu chiếm 99,998%
tổng số. Trong thành phần khô của khí quyển, nitơ là phổ biến nhất. Nitơ làm
loãng oxy và ngăn chặn quá trình đốt cháy nhanh chóng trên bề mặt Trái đất.
Các sinh vật sống cần N2 để tạo ra protein.
• O2 được sử dụng bởi tất cả các sinh vật sống và rất cần thiết cho quá trình hô
hấp. Nó cũng cần thiết cho quá trình đốt cháy (đốt cháy). Carbon dioxide (CO2)
cũng hoạt động như một tấm chăn ngăn nhiệt thoát ra ngoài không gian. 6 6 3 9/11/2024
Nguồn gốc khí quyển trái đất
• Hệ mặt trời ngưng tụ từ một đám mây khí và bụi giữa các vì sao,được gọi là tinh
vân mặt trời nguyên thủy, khoảng 4,6 tỷ năm trước.
• Bầu khí quyển của Trái đất và các hành tinh đất đá khác, Sao Kim và Sao Hỏa,
được cho là đã hình thành do sự giải phóng các chất bị mắc kẹt và các hợp chất
dễ bay hơi từ chính hành tinh.
• Bầu khí quyển sơ khai của Trái đất được cho là một hỗn hợp carbon dioxide
(CO2), nitơ (N2) và hơi nước (H2O), với một lượng nhỏ hydro (H2), một hỗn hợp
tương tự như hỗn hợp phát ra từ núi lửa ngày nay. 7 7
Nguồn gốc khí quyển trái đất
• Hầu hết hơi nước thoát ra từ bên trong Trái đất ngưng tụ để hình thành các đại
dương. Sự chiếm ưu thế của CO2 hình thành đá cacbonat sau khi hòa tan vào đại dương.
• Vì N2 trơ về mặt hóa học, không tan trong nước và không thể ngưng tụ nên phần
lớn N2 thoát ra tích lũy trong khí quyển theo thời gian và hiện nay là thành phần
chiếm ưu thế trong bầu khí quyển.
• Bầu khí quyển sơ khai của Trái đất là một hỗn hợp hóa học có tính khử nhẹ,
trong khi bầu khí quyển hiện tại lại có tính oxi hóa mạnh. 8 8 4 9/11/2024
Nguồn gốc khí quyển trái đất – sự biến đổi
https://www.insightsonindia.com/ 9 9
Nguồn gốc khí quyển trái đất
• Bằng chứng địa hóa chỉ ra rằng O2 trong khí quyển gia tăng đáng kể nồng độ
khoảng 2300 triệu năm trước (Kasting 2001).
• Các nghiên cứu cho rằng O2 ban đầu được tạo ra bởi vi khuẩn lam, sinh vật
nhân sơ (vi khuẩn và vi khuẩn cổ) có khả năng quang hợp tạo O2.
• Bầu khí quyển từ 3000 đến 2300 triệu năm trước rất giàu khí khử như H2 và
CH4. H2 có thể thoát ra ngoài không gian từ bầu khí quyển. Vì phần lớn hydro tồn
trọng trong trái đất dưới dạng nước, H2 thoát ra sẽ dẫn đến sự tích tụ ròng của O2.
• Mức O2 hiện tại được duy trì nhờ sự cân bằng giữa quá trình quang hợp (tạo O2)
và hô hấp và phân hủy carbon hữu cơ (sử dụng O2). 10 10 5 9/11/2024
Nguồn gốc khí quyển trái đất 11 11
Nguồn gốc khí quyển trái đất
• Khoảng 3,5 Ga vi khuẩn lam, hay
còn gọ ilà tảo lam - chúng hầu nh ư có
thể sống ở bấ tkỳ đâu mà ánh sáng
mặt trời có thể chiếu tới.
• Quá trình quang hợp liên quan đến
việc tiêu thụ CO2 và giải phóng O2 làm gia tăng nồng đ ộ O2 trong không khí 12 12 6 9/11/2024
Chemical makeup of the atmosphere EXCLUDING water vapor GAS SYMBOL CONTENT Nitrogen N2 78.084% Oxygen O2 20.947% Argon Ar 0.934% Carbon dioxide CO2 0.035% Neon Ne 18.182 parts per million Helium He 5.24 parts per million Methane CH4 1.70 parts per million Krypton Kr 1.14 parts per million Hydrogen H2 0.53 parts per million Nitrous oxide N2O 0.31 parts per million Carbon monoxide CO 0.10 parts per million Xenon Xe 0.09 parts per million Ozone O3 0.07 parts per million Nitrogen dioxide NO2 0.02 parts per million Iodine I2 0.01 parts per million Ammonia NH3 trace 13 13
Thành phần khí quyển WATER
VAPOR NITROGEN OXYGEN ARGON Chemical 0% 78.084% 20.947% 0.934% makeup of the atmosphere 1% 77.30% 20.70% 0.92% INCLUDING 2% 76.52% 20.53% 0.91% water vapor 3% 75.74% 20.32% 0.90% 4% 74.96% 20.11% 0.89%
Ở các vùng sa mạc lượng hơi nước đóng góp vào thành phần khí quyển sẽ gần bằng
không. Lượng hơi nước gần 3% vào những ngày cực kỳ nóng/ẩ . m Giới hạn trên, gần
4%, được tìm thấy ở vùng khí hậu nhiệt đới. 14 14 7 9/11/2024
Nồng độ của một số chất khí Methane Mauna Loa South Pole 15 15
Nồng độ của một số chất khí
Measure of relative concentration: mixing ratio (mole fraction) C -1 X [mol mol ] # moles of X C
Không thay đổi khi mật độ không khí thay đổi (thấp lên cao) X = mole of air
đại lượng ổn định cho đo đạc nồng độ chất trong không khí SPECIES MIXING RATIO -6 (dry air)
Air also contains variable H2O vapor (10 - -1 [mol mol-1] 10-2 mol mol ),
aerosol particles, and many trace gases at Nitrogen (N2) 0.78 < 1x10-6 mol mol-1 Oxygen (O2) 0.21 Argon (Ar) 0.0093 Carbon dioxide (CO2) 400x10-6 Neon (Ne) 18x10-6 Trace Ozone (O3) (0.01-10)x10-6 gases Helium (He) 5.2x10-6 Trace gas concentration units:
1 ppm = 1 µmol mol-1 = 1x10-6 mol mol-1 Methane (CH4) 1.8x10-6
1 ppb = 1 nmol mol-1 = 1x10-9 mol mol-1 Krypton (Kr) 1.1x10-6
1 ppt = 1 pmol mol-1 = 1x10-12 mol mol-1 16 16 8 9/11/2024
Quy đổi đơn v ị Quy đổi nồn g đ theo ộ μg m- cho 3 O3 nế u nồn g đ là 120 ppb, áp ộ
suất p = 1 atm và T = 298 K 17 17
Các tầng khí quyển 18 18 9 9/11/2024 Các tầng khí quyển 19 19
Áp suất khí quyển
➢ Các nguyên tử và phân tử tạo nên các lớp khác nhau của khí
quyển liên tục di chuyển theo các hướng ngẫu nhiên. Mặc dù có
kích thước nhỏ bé, nhưng khi va chạm với một b ề mặt, chúng sẽ
tác dụng một lực lên bề mặt => áp suất.
➢ Mỗi phân tử quá nhỏ để cảm nhận và chỉ tác dụng một lực rất
nhỏ. Tuy nhiên, khi tính tổng các lực từ số lượng lớn các phân tử
đập vào một bề mặt trong mỗi thời điểm, thì tổng áp suất quan
sát được có thể là đáng kể.
➢ Có thể tăng hoặc giảm áp suất không khí theo một trong hai
cách: thêm các phân tử vào vật chứa hoặc làm tăng số lần va
chạm với ranh giới của vật chứa. 20 20 10 9/11/2024
Áp suất khí quyển
Sự giảm áp suất theo độ cao khiến cho việc
so sánh áp suất không khí ở mặt đất từ vị trí
này sang v ịtrí khác trở nên rất khó khăn.
=> Cần có mốc chung để so sánh là độ cao
mực nước biển. Chỉ số áp suất không khí sẽ
được chuyển đổi thành giá trị sẽ được quan
sát nếu thiết bị đó được đặt ở mực nước biển (a.s.l). 21 21 Molecular view of atmospheric pressure random gravity motion
• Trọng lượng của tất cả các phân tử không khí
được truyền lên bề mặt bằng chuyển động
ngẫu nhiên của các phân tử
• Chuyển động ngẫu nhiên của các phân tử gây
ra áp suất theo mọi hướng EARTH SURFACE 22 22 11 9/11/2024
Khí quyển nặng bao nhiêu? Radius of Earth:
Mean pressure at Earth's surface: 6380 km 984 hPa 2 4R psurface 18 ma = = 5.1310 kg g
Total number of moles of air in atmosphere: ma 20 N = = a 1.8 10 moles Ma
Mol. wt. of air: 29 g mole-1 = 0.029 kg mole-1 23 23
Thay đổi của áp suất theo phương thẳng đứng mean values for 30oN, March Stratopause Tropopause 24 24 12 9/11/2024 Đơn vị
Theo International System of Units (SI) (N/m2) hay còn gọi là pascal (Pa) Mức 850 mbar tương (
ứng độ cao khoảng 1,5 km), thường được sử dụng để
biểu thị các đại lượng khí quyển, chẳng hạn như nhiệt độ, như mức khí tượng
tiêu chuẩn đầu tiên trên phần lớn địa hình. 25 25
Tại sao có thể thở ra khói?
Đường đứt nét thể hiện quá trình pha loãng của hơi thở khỏi khi thoát ra cơ thể pH2O is plotted on linear scale to draw the mixing lines LIQ Your breath 37oC, ≈ 100%RH ICE cloud! no cloud warm outside air cold outside air GAS 26 26 13 9/11/2024
Basic concepts- weather vs climate
✓ Weather is the day to day condition of the atmosphere. This includes temperature, rainfal and wind.
✓ Climate is the average weather conditions of a place, usual y
measured over a long period of time (month – thousand of years; 30
years as defined by the World Meteorological Organization)
✓ Climate change refers to long-term shifts in temperatures and weather
pat erns. These shifts may be natural, but since the 1800s, human
activities have been the main driver of climate change, primarily due to
the burning of fossil fuels (like coal, oil and gas), which produces heat- trapping gases. 27 27
Vòng hoàn lưu và gió mậu dịch 28 28 14 9/11/2024 ENSO 29 29 ENSO 30 30 15 9/11/2024
Thời tiết và hướng gió-hình thái thời tiết (synoptic-scale flow)
• Áp thấp (low pressure): Khối không khí di chuyển lên và theo chiều ngược chiều kim đồng hồ.
• Áp cao (high pressure): Khối không khí di chuyển từ trên xuống và theo chiều cùng chiều kim đồng hồ 31 31
Thời tiết và hướng gió-hình thái thời tiết
Áp cao góp phần hướng bão nhiệt đới Áp cao thúc đẩy khối không khí nóng di
tấn công vào các khu vực bờ Tây của
chuyển từ xích đạo và tăng cường các Mỹ đợt nắng nóng tại M ỹ 32 32 16 9/11/2024
Ứng dụng trong dự đoán hướng đi của khối không khí 33 33
Radar Wind Observatories 34 34 17 9/11/2024 Sơn Trà Radar Station Quy Nhơn 35 35
Radar station in Vietnam : ht p:/ tckt v.go 36 v.vn/ 36 18 9/11/2024
Radae station in Vietnam Source: http://tckttv.gov 37 .vn/ 37 https://www.accuweather.com/en 38 38 19 9/11/2024 Server weather conditions https://www.zurich.com/en 39 39 Location & names 40 40 20