Gradient đoạn nhiệt khô là gì?
Gradient đoạn nhiệt khô (DALR) mô tả cách nhiệt độ của một khối không khí chưa bão hòa thay đổi khi nó bốc lên hoặc hạ xuống trong khí quyển mà không trao đổi nhiệt với môi trường xung quanh. Khi bốc lên, không khí giãn nở và lạnh đi, nên không khí khô mất khoảng 9,8 °C cho mỗi 1000 mét độ cao tăng thêm — và ấm lên đúng bằng mức đó khi hạ xuống. Đây là một hằng số vật lý phổ quát, suy ra từ gia tốc trọng trường và nhiệt dung riêng của không khí, vì vậy máy tính áp dụng được ở bất kỳ nơi nào trên Trái Đất.
Cách sử dụng máy tính
Hãy nhập nhiệt độ ở mặt đất (hoặc điểm xuất phát) theo °C, độ cao ban đầu tính bằng mét, và độ cao mục tiêu mà bạn muốn biết nhiệt độ. Máy tính sẽ tính chênh lệch độ cao, nhân với gradient đoạn nhiệt và trả về nhiệt độ tại độ cao mục tiêu. Chọn độ cao mục tiêu cao hơn để mô phỏng khối khí bốc lên (lạnh đi), hoặc thấp hơn để mô phỏng khối khí hạ xuống (ấm lên, như trong gió foehn hay gió chinook).
Giải thích công thức
Công thức cơ bản là $$T = T_0 - 9{,}8 \times \frac{\Delta z}{1000}$$ trong đó \(T_0\) là nhiệt độ ban đầu, \(\Delta z\) là chênh lệch độ cao tính bằng mét, và 9,8 là gradient đoạn nhiệt khô theo °C trên mỗi kilômét. Bản thân giá trị này xuất phát từ \(\Gamma_d = g / c_p\), với \(g \approx 9{,}81\ \text{m/s}^2\) và \(c_p \approx 1005\ {\text{J/(kg}\cdot\text{K)}}\), cho ra khoảng 9,8 °C cho mỗi km.
Ví dụ minh họa
Giả sử nhiệt độ ở mặt đất là 20 °C tại mực nước biển (0 m) và ta muốn biết nhiệt độ của một khối khí khô được nâng lên 1500 m. Chênh lệch độ cao là 1500 m, nên $$\Delta T = -9{,}8 \times \frac{1500}{1000} = -14{,}7\ \text{°C}$$ Nhiệt độ cuối cùng là \(20 - 14{,}7 = \textbf{5,3 °C}\).
Định nghĩa & Bảng thuật ngữ
- Quá trình đoạn nhiệt
- Một thay đổi nhiệt động học trong đó không có nhiệt được trao đổi với môi trường xung quanh. Sự thay đổi nhiệt độ xảy ra hoàn toàn thông qua sự giãn nở (làm lạnh) hoặc nén (làm ấm) của khối khí.
- Khối khí không khí
- Một thể tích nhỏ không khí tưởng tượng được coi như một đơn vị riêng biệt giữ lại danh tính của nó, được sử dụng để theo dõi nhiệt độ, áp suất và độ ẩm khi nó chuyển động theo chiều dọc.
- Tốc độ giảm nhiệt độ đoạn nhiệt khô (\(\Gamma_d\))
- Tốc độ mà một khối khí không bão hòa (không có ngưng tụ) làm lạnh khi nó tăng lên, ≈ 9,8 °C trên 1000 m. Nó cũng áp dụng như nhau cho sự làm ấm khi hạ xuống.
- Tốc độ giảm nhiệt độ đoạn nhiệt bão hòa / ẩm (\(\Gamma_m\))
- Tốc độ làm lạnh chậm hơn của một khối khí tăng lên khi nó bão hòa và hơi nước đang ngưng tụ, ≈ 5 °C/km trung bình, vì sự giải phóng nhiệt ẩn làm chống lại việc làm lạnh đoạn nhiệt.
- Tốc độ giảm nhiệt độ môi trường (\(\Gamma_e\))
- Sự thay đổi nhiệt độ được đo thực tế theo chiều cao trong bầu khí quyển xung quanh tại một thời gian và địa điểm nhất định, trung bình ≈ 6,5 °C/km trong bầu khí quyển tiêu chuẩn. So sánh nó với các tốc độ đoạn nhiệt xác định tính ổn định của bầu khí quyển.
- Gió Foehn / Chinook
- Một gió thổi xuống sườn ấm áp, khô ráo. Không khí tăng lên và làm lạnh (thường mất độ ẩm dưới dạng lượng mưa), sau đó hạ xuống phía leeward, làm ấm với tốc độ đoạn nhiệt khô, đến ấm áp và khô hơn so với cùng độ cao trên phía windward.
- \(T_0\)
- Nhiệt độ không khí bắt đầu (bề mặt hoặc tham chiếu), tính bằng °C, ở độ cao bắt đầu.
- \(\Delta z\)
- Sự thay đổi độ cao, \(z_1 - z_0\), tính bằng mét. Dương cho sự tăng lên (làm lạnh), âm cho sự hạ xuống (làm ấm).
- \(\Gamma_d\)
- Ký hiệu cho tốc độ giảm nhiệt độ đoạn nhiệt khô, 9,8 °C/km, được sử dụng làm số nhân trong công thức nhiệt độ.
Câu hỏi thường gặp
Vì sao là 9,8 mà không phải 6,5 °C/km của môi trường? Con số 9,8 °C/km là gradient đoạn nhiệt khô dành cho một khối khí đang chuyển động. Gradient môi trường trung bình (~6,5 °C/km) mô tả khí quyển thực tế và đã bao gồm cả tác động của hơi ẩm lẫn hiện tượng xáo trộn.
Còn không khí bão hòa (có mây) thì sao? Một khi xảy ra ngưng tụ, nhiệt ẩn được giải phóng làm chậm quá trình lạnh đi xuống còn gradient đoạn nhiệt ẩm (~5 °C/km). Công cụ này chỉ tính cho trường hợp không khí khô.
Tôi có thể mô phỏng không khí hạ xuống không? Có — chỉ cần đặt độ cao mục tiêu thấp hơn độ cao ban đầu, không khí sẽ ấm lên 9,8 °C cho mỗi 1000 m hạ xuống.
