Phương trình Clausius-Clapeyron, được phát triển gần 200 năm trước, hiện đang giúp các nhà khoa học khí hậu hiểu rõ hơn về tác động của biến đổi khí hậu.

Phương trình này cho thấy khi không khí trở nên ấm hơn, nó có thể giữ được nhiều độ ẩm hơn, điều này rất quan trọng để dự đoán sức mạnh tăng cao của các cơn bão và lượng mưa.

Mối quan hệ này hiện được biết đến với tên gọi phương trình Clausius-Clapeyron, thiết lập mối liên hệ giữa áp suất của một chất và nhiệt độ khi hai pha của chất đó ở trạng thái cân bằng. Bài viết này khám phá lịch sử của phương trình này và tính liên quan của nó trong việc dự đoán biến đổi khí hậu.

Phương trình Clausius-Clapeyron được đặt theo tên của vật lý gia người Đức Rudolf Clausius và kỹ sư, vật lý gia người Pháp Émile Clapeyron. Cặp đôi này cùng với các nhà khoa học khác đã tìm ra hầu hết những gì được biết đến ngày nay về nhiệt động lực học vào giữa thế kỷ 19.

Động cơ hơi nước là một trong những công nghệ then chốt mà họ đang cố gắng cải thiện, và Sadi Carnot, James Joule, William Rankine, William Thomson (Lord Kelvin), và Clausius và Clapeyron đã làm việc trên lý thuyết và ứng dụng thực tế để tăng cường hiệu quả của nó.

Phương trình Clausius-Clapeyron
Phương trình Clausius-Clapeyron giải thích tác động của biến đổi khí hậu. Ảnh: Đài quan sát Trái đất của NASA của Lauren Dauphin

Vào năm 1834, Clapeyron đã vẽ biểu đồ thay đổi áp suất hơi nước, áp suất do hơi nước tạo ra khi cân bằng với chất lỏng, theo nhiệt độ. Ông là một trong những nhà khoa học đầu tiên xem xét cách thức hoạt động của các pha hơi và chất lỏng của nước khi chất lỏng bên trong động cơ hơi nước được gia nhiệt.

Đến năm 1850, Clausius đã tinh chỉnh mối quan hệ bằng cách bao gồm nhiệt tiềm ẩn, năng lượng cần thiết để bay hơi một lượng chất lỏng nhất định, để thiết lập dạng phương trình được sử dụng ngày nay.

Phương trình Clausius-Clapeyron rất linh hoạt và có thể giải thích cách nồi áp suất tăng tốc bữa ăn bằng cách làm nước sôi ở 120 °C. Các nhà khoa học từ các lĩnh vực khác nhau sử dụng nó để ước tính các thứ khác nhau như thành phần của khí quyển và đại dương trên các hành tinh khác, tiềm năng năng lượng và rủi ro của tinh thể hydrat methane kỳ lạ được tìm thấy dưới lớp trầm tích ven biển và vĩnh cửu đóng băng. Nó đặc biệt hữu ích trong khí tượng học, nơi các nhà khí tượng học sử dụng nó để hiểu khi nào hơi nước sẽ ngưng tụ thành chất lỏng.

Phương trình Clausius-Clapeyron có thể giải thích cách không khí ấm có thể giữ được nhiều hơi nước hơn, điều đó có nghĩa là nó cũng có thể giải phóng ra nhiều nước lỏng hơn dưới dạng mưa. Nó cho thấy rằng với mỗi độ Celsius tăng thêm, không khí có thể giữ được 7% nước hơn.

Do đó, với 2 °C của sự ấm lên toàn cầu, thế giới có thể mong đợi 14% độ ẩm hơn trong không khí, và với 3 °C ấm lên, con số đó sẽ là 21%, và cứ tiếp tục như vậy. Tuy nhiên, mọi thứ phức tạp hơn một chút trong thực tế.

Việc diễn giải phương trình không luôn chính xác vì nó kiểm soát lượng độ ẩm trong khí quyển, nhưng không trực tiếp kiểm soát lượng mưa. Lượng nước trong không khí phụ thuộc vào lượng nước để làm no không khí. Mối quan hệ giữa nhiệt độ và bão hòa hơi nước hoạt động hoàn toàn trên biển, nơi có nguồn cung cấp nước vô hạn.

Tuy nhiên, trên đất liền, nơi có nguồn cung cấp nước hữu hạn, không khí phía trên sẽ không giữ được 7% độ ẩm thêm, bất kể tăng 1 °C, nếu không có đủ độ ẩm trong đất. Đối với hiện tượng mưa lớn, một khối không khí từ trên biển phải có mặt.

Phương trình Clausius-Clapeyron chỉ ra một tương lai “ẩm ướt” hơn, nhưng những cơn bão trong tương lai có thể tạo ra nhiều mưa hơn so với phương trình kinh điển dự đoán. 

Đường cong mũ trong phương trình tăng nhanh hơn càng lên cao trên thang nhiệt độ. Do đó, việc tăng nhiệt độ nhanh chóng có thể dẫn đến các con số lớn cho lượng mưa thêm. Do đó, các nhà khoa học khí hậu đang nghiên cứu phương trình để hiểu rõ hơn về tác động của biến đổi khí hậu lên hành tinh. 

Phương trình Clausius-Clapeyron đã giúp các nhà khoa học hiểu rõ hơn về tác động của biến đổi khí hậu đối với các mô hình lượng mưa. Phương trình cho thấy khi nhiệt độ tăng lên, khí quyển có thể giữ được nhiều độ ẩm hơn, điều này có thể dẫn đến lượng mưa lớn hơn và các cơn bão mạnh hơn.

Tuy nhiên, phương trình chỉ là một phần của bức tranh, vì các yếu tố khác như các mô hình gió, địa hình và sự có sẵn của độ ẩm có thể ảnh hưởng đến lượng mưa.

Nguồn: Viện Hàn lâm Khoa học Quốc gia Hoa Kỳ

Share.
Theo dõi
Thông báo của
guest
0 Góp ý
Phản hồi nội tuyến
Xem tất cả bình luận