Tải bản đầy đủ

Thời tiết và khí hậu - Phần 1 Năng lượng và khối lượng - Chương 3 ppsx

http://www.ebook.edu.vn
85
Chơng 3
Cân bằng năng lợng v nhiệt độ
Sáng sớm ngy 24/10/1998, xoáy thuận nhiệt đới Mitch vừa mạnh lên thnh
một trận bão thực sự ở phía tây Đại Tây Dơng. Mặc dù các nh dự báo tin chắc
xoáy thuận sẽ mạnh lên tiếp v di chuyển về phía tây, song không ai biết rằng
trong ít ngy Mitch có thể trở thnh một trận bão tồi tệ nhất tấn công vùng Trung
Mỹ kể từ năm 1780. Mức độ phá hủy tổng cộng của nó khó m đánh giá. Con số tổn
thất sinh mạng chính xác từ bão Mitch sẽ không bao giờ đợc biết, song có lẽ đâu đó
khoảng 9
000 v 18 000 ngời. Gió giật cỡ hơn 320 km/h v lợng ma hơn 50 cm đã
lm trơ trụi nhiều lng mạc. Nơi chịu đựng tồi tệ nhất l Honduras, hơn 20 % dân
c đất nớc ny bỗng dng trở thnh vô gia c. Vùng núi của Nicaragoa bị thiệt hại
đặc biệt nặng nề bởi những trận trợt đất phá hoại tn bạo. Một nông dân, tên l
José Morales, kể lại trải nghiệm của mình với một trong những vụ tồi tệ nhất, vụ
trợt đất Casitas ở tây bắc Nicaragoa: Đó l một khối cầu đất v cây cối v lập tức
tôi không còn có thể nhìn thấy nh cửa nữa (xem hình 3.1).
Hình 3.1. ảnh vệ tinh bão Mitch, trận bão tn khốc nhất trn tới Trung Mỹ cuối thế kỷ 20
http://www.ebook.edu.vn
86

Nỗi thống khổ do bão Mitch vẫn tiếp tục. Các quốc gia bị hại của khu vực đã
phải chống chọi với nguy cơ bệnh tả, sốt rét v bệnh sốt nhiệt đới - không kể nạn
đói honh hnh do mùa mng bị phá hoại.
ở Hoduras khoảng 70 % mùa mng bị
phá hoại v một tỉ lệ tơng tự cơ sở hạ tầng giao thông bị triệt phá. Một số chuyên
gia cứu nạn đã ớc tính rằng sẽ cần 15 đến 20 năm trớc khi những hậu quả của
trận bão đợc khắc phục hon ton.
Giống nh những trận bão mạnh khác, Mitch trn tới một diện tích lớn hơn
một phần t triệu km
2
, kéo di gần một tuần, xả xuống hng triệu tấn nớc ma v
gió hung dữ cuốn phăng cả những lng mạc. Một hoạt động nh thế đòi hỏi lợng
năng lợng khổng lồ, v nh chúng ta đã thấy ở chơng 2, bức xạ Mặt Trời cung
cấp tất cả những năng lợng đó. Nhng câu chuyện cha phải đã hết, bởi vì phần
lớn năng lợng chứa trong khí quyển không tích lũy bằng cách hấp thụ
trực tiếp
bức xạ Mặt Trời. Ngợc lại, phần lớn năng lợng có đợc
một cách gián tiếp từ Mặt
Trời sau khi đã bị hấp thụ trớc nhất bởi bề mặt Trái Đất. Từ đây, một số quá trình
kết hợp với nhau để vận chuyển năng lợng hấp thụ ny vo khí quyển. Trong
chơng ny chúng ta xem xét sự vận chuyển năng lợng đó, nó cung cấp nhiên liệu
cho những hiện tợng thời tiết hng ngy v những sự kiện tai họa nh bão Mitch.
ảnh h~ởng của khí quyển đối với bức xạ tới
Bức xạ Mặt Trời đạt tới đỉnh của khí quyển không đi qua khí quyển một cách
không bị cản trở, m ngợc lại, bị suy yếu bởi rất nhiều quá trình. Khí quyển hấp
thụ một phần bức xạ một cách trực tiếp v do đó thu đợc nhiệt. Một phần khác
tiêu tán mất nh những tia yếu hơn đi ra theo nhiều hớng khác nhau thông qua
một quá trình gọi l
tán xạ. Một số bức xạ tán xạ hớng trở lại không gian; phần
còn lại bị tán xạ hớng tới nh l ánh sáng m chúng ta nhìn thấy từ phần bầu trời
ở xa đĩa Mặt Trời. Trong mọi trờng hợp, phần năng lợng tán xạ không bị hấp thụ
bởi khí quyển v do đó không góp phần lm nóng nó.
Bức xạ tới còn lại không bị hấp thụ v tán xạ v đi qua khí quyển không bị
biến đổi, đạt tới bề mặt với t cách l bức xạ trực tiếp. Nhng không phải tất cả
năng lợng đạt tới bề mặt đợc hấp thụ. Ngợc lại, một bộ phận bị tán xạ trở lại
vo không gian v giống nh bức xạ bị tán xạ bởi khí quyển, nó không góp phần
lm nóng hnh tinh.
Các quá trình ny - hấp thụ, tán xạ v vận chuyển bức xạ Mặt Trời - trực tiếp
ảnh hởng tới phân bố nhiệt độ trong ton khí quyển. Chúng cũng giải thích một số
hiện tợng khí quyển đáng quan tâm thờng ngy nh bầu trời xanh lam trong


một ngy quang mây hay sắc đỏ của một buổi hong hôn. Trong mục ny, chúng ta
khám phá những quá trình tác động tới bức xạ tới.
Hấp thụ
Các chất khí khí quyển, các hạt li ti v những giọt ma đều lm suy giảm
cờng độ của bức xạ tới bằng hấp thụ. Điều quan trọng phải lu ý l hấp thụ thể
hiện sự truyền năng lợng cho vật hấp thụ. Sự truyền ny có hai hệ quả: vật hấp
http://www.ebook.edu.vn
87
thụ nhận đợc năng lợng v nóng lên, trong khi lợng năng lợng cung cấp cho bề
mặt bị giảm.
Các chất khí của khí quyển không phải đều hiệu quả nh nhau trong hấp thụ
ánh sáng Mặt Trời, v các bớc sóng bức xạ khác nhau không bị hấp thụ nh nhau.
Thí dụ, bức xạ cực tím gần nh bị hấp thụ hon ton bởi ôzôn trong bình lu quyển.
Ngợc lại, bức xạ nhìn thấy đi qua khí quyển chỉ với một lợng hấp thụ cực tiểu.
Điều ny có một hệ quả không phải nhỏ, bởi vì nếu nh khí quyển
có khả năng hấp
thụ tất cả năng lợng Mặt Trời đi đến, thì bầu trời sẽ tối hon ton. Các loại ánh
sáng nhân tạo sẽ l vô ích, bởi vì bức xạ của chúng chắc chắn sẽ bị hấp thụ. Chính
thực tế chúng ta có thể nhìn thấy những khoảng cách lớn mách bảo rằng khí quyển
không phải l vật đặc biệt giỏi hấp thụ bức xạ nhìn thấy, một ấn tợng rất đúng.
Bức xạ cận hồng ngoại, nó thể hiện gần một nửa bức xạ do Mặt Trời phát ra, bị
hấp thụ chủ yếu bởi hai chất khí trong khí quyển - hơi nớc v (ở mức độ kém hơn)
cacbon điôxit. Đó l lý do vì sao ánh sáng Mặt Trời trực tiếp ở vùng hoang mạc có
cảm giác nóng nh vậy, còn bóng râm thì rất dễ chịu, trong khi sự khác biệt nhiệt
độ biểu kiến dới ánh sáng trực tiếp v dới bóng râm l tơng đối nhỏ ở các vùng
ẩm. Khi độ ẩm cao, hơi nớc hấp thụ một phần lớn bức xạ cận hồng ngoại, do đó
lm giảm lợng năng lợng khả năng lm nóng da chúng ta. Trong những ngy
khô, sụ thiếu hụt hơi nớc cho phép một lợng lớn hơn bức xạ cận hồng ngoại xuyên
qua khí quyển v lm tăng nhiệt độ da bạn.
Phản xạ v tán xạ
Phản xạ
năng lợng l một quá trình trong đó bức xạ tiếp xúc với vật no đó
chỉ bị đổi hớng khỏi bề mặt m không bị hấp thụ. Lý do chúng ta có thể nhìn đợc
l mắt ngời có khả năng phát hiện sự tiếp nhận bức xạ nhìn thấy. Năng lợng
nhìn thấy truyền trong tất cả các hớng vì nó bị phản xạ khỏi các đối tợng trong
tầm nhìn của chúng ta. Một số ánh sáng phản xạ đi tới tiếp xúc với mắt chúng ta,
mắt gửi các tín hiệu để cho các trung tâm quang học trong não bộ chúng ta xử lý.
Tất cả các chất phản xạ ánh sáng nhìn thấy, nhng với hiệu quả rất khác nhau.
Chẳng hạn, một đám tuyết tơi phản xạ ánh sáng nhìn thấy rất hiệu quả, trong khi
một cục than chỉ phản xạ một phần nhỏ bức xạ nhìn thấy đi tới bề mặt của nó. Tỉ
phần phần trăm của ánh sáng nhìn thấy bị phản xạ bởi một vật hoặc một chất đợc
gọi l albeđô. Ngoi ra, các vật không phản xạ tất cả các bớc sóng nh nhau. Thí
dụ, một chiếc áo sơ mi sẽ có mu xanh lam nếu nó phản xạ hiệu quả nhất các bớc
sóng ở vùng xanh lam của phổ.
ánh sáng có thể bị phản xạ từ một bề mặt theo hai cách khác nhau. Khi ánh
sáng chạm vo một cái gơng, nó bị phản xạ lại nh một chùm cùng cờng độ,
ngời ta gọi l
phản xạ gơng. Ngợc lại, khi một chùm bị phản xạ từ một vật
nh một số lớn các tia yếu hơn truyền trong nhiều hớng khác nhau, ngời ta gọi l
phản xạ tản mạn hay tán xạ. Khi tán xạ xảy ra, bạn không thể nhìn thấy ảnh
của chính mình trên bề mặt phản xạ nh bạn có thể nhìn thấy trong một chiếc
gơng. Do đó, mặc dù một bề mặt tuyết tơi có thể phản xạ trở lại phần lớn ánh
http://www.ebook.edu.vn
88
sáng nhìn thấy đi tới nó, bạn không thể nhìn ngắm mình bằng cách nhìn vo tuyết.
Đại đa số các bề mặt tự nhiên l bề mặt phản xạ tản mạn chứ không phải l bề mặt
phản xạ gơng.
Ngoi rất nhiều bề mặt chất rắn, các phân tử khí, các hạt li ti v những giọt
nớc nhỏ tán xạ bức xạ. Hơn nữa, mặc dù nhiều bức xạ bị tán xạ trở lại không gian,
thì cũng nhiều bức xạ bị đổi hớng về phía bề mặt. Năng lợng tán xạ đạt tới bề
mặt Trái Đất do đó l
bức xạ tản mạn, nó khác với bức xạ trực tiếp không tản
mạn. Hình 3.2 minh họa quá trình tán xạ v biến đổi bức xạ trực tiếp thnh bức xạ
tán xạ. Bạn có thể xét quá trình ny theo cách nh sau: tập hợp bức xạ trực tiếp l
cái tạo nên các bóng râm, còn một bề mặt trong bóng râm của bức xạ trực tiếp
không tối hon ton, bởi vì nó đợc chiếu sáng bởi bức xạ tán xạ. Hãy lu ý rằng dù
đợc thực hiện bởi một phân tử khí, hạt li ti hay giọt nớc, song kết quả vẫn l một
quá trình tán xạ, trong đó bức xạ bị đổi hớng chứ không bị hấp thụ.
Các đặc trng của bức xạ bị tán xạ
bởi khí quyển phụ thuộc vo kích thớc
của những tác nhân tán xạ (các phân tử
không khí hoặc các hạt lơ lửng) so với
bớc sóng của năng lợng điện từ đi tới.
Tồn tại ba loại tán xạ rất phổ biến: tán
xạ Rayleigh, tán xạ Mie v tán xạ không
chọn lọc.
Tán xạ Rayleigh. Các tác nhân
tán xạ bé hơn khoảng một phần mời
bớc sóng của bức xạ tới lm tản mát
bức xạ theo một kiểu gọi l
tán xạ
Rayleigh
. Tán xạ Rayleigh đợc thực
hiện bởi những phân tử khí riêng lẻ
trong khí quyển. Nó không tác động nh
nhau tới tất cả các bớc sóng của bức xạ
Mặt Trời; ngợc lại, nó thiên về phía các
bớc sóng ngắn hơn. Tán xạ Rayleigh
đặc biệt hiệu quả đối với ánh sáng nhìn
nhìn thấy, đặc biệt với những ánh sáng
Hình 3.2. Tán xạ l quá trình trong đó một
chùm tia bức xạ bị chia thnh nhiều tia yếu
hơn định h~ớng lại trong nhiều h~ớng khác
có mu nh các bớc sóng ngắn nhất, cho nên ánh sáng xanh lam bị tán xạ bởi các
phân tử không khí hiệu quả hơn ánh sáng đỏ với bớc sóng di hơn. Ngoi ra, tán
xạ Rayleigh lm tản mát bức xạ theo cả hai hớng tiến lên tiếp v quay trở lại. Kết
hợp với độ hiệu quả lớn của nó khi tán xạ các bớc sóng ngắn, đặc điểm ny dẫn
đến ba hiện tợng lý thú: bầu trời xanh lam trong ngy quang mây, sắc xanh lam
của khí quyển khi nhìn từ khoảng không bên ngoi v sắc đỏ của những khoảnh
khắc hong hôn v bình minh.
Hình 3.3 minh họa tán xạ Rayleigh tạo ra một bầu trời xanh lam nh thế no.
Khi những chùm tia bức xạ song song đi vo khí quyển, một phần ánh sáng bị đổi
http://www.ebook.edu.vn
89
hớng so với hớng ban đầu của nó. Một ngời nhìn lên phía trên, không theo
hớng của Mặt Trời, có thể nhìn thấy một số ánh sáng tán xạ đã bị đổi hớng về
phía ngời quan sát. Vì ánh sáng xanh lam thuộc loại ngắn nhất trong các bớc
sóng nhìn thấy (v do đó dễ bị tán xạ nhất), bức xạ tán xạ chứa một tỉ phần ánh
sáng xanh cao hơn so với các ánh sáng vng, lục hay các bớc sóng di hơn khác.
Tán xạ Rayleigh diễn ra tại mọi điểm trong khí quyển trong suốt v hớng năng
lợng tới một ngời quan sát từ tất cả các hớng, cho nên bất kể bạn nhìn lên từ
đâu trong một ngy quang mây thì bầu trời vẫn l mu lam. Dĩ nhiên, không phải
tất cả bức xạ tới bị tán xạ trong một ngy trời quang. Thật vậy, lợng bức xạ tán xạ
nhận đợc tại bề mặt trong điều kiện trời không mây thờng bằng khoảng một
phần mời lợng bức xạ trực tiếp.
Hình 3.3. Bầu trời có mu lam vì các khí v hạt li ti trong khí quyển tán xạ
một phần bức xạ Mặt Trời tới theo tất cả các h~ớng. Các phân tử không khí
tán xạ những b~ớc sóng ngắn hơn hiệu quả hơn. Ai đó trên mặt đất nhìn lên
trời tiếp nhận ánh sáng lam, b~ớc sóng ngắn nhất của phần phổ nhìn thấy
Trên Mặt Trăng, không có khí quyển, bầu trời thnh ra mu đen (hình 3.4).
Khi một ngời quan sát nhìn về phía chân trời lên phía Mặt Trăng, không có ánh
sáng tán xạ xuống phía dới, bởi vì không có khí quyển v bầu trời hiện ra không
khác mấy với bầu trời đêm. Tất cả những gì có thể nhìn thấy đợc chỉ l năng lợng
phản xạ từ bề mặt Mặt Trăng v Trái Đất.
Cùng một quá trình dẫn tới bầu trời lam khi nhìn từ mặt đất cũng tạo nên sắc
lam của khí quyển khi nhìn từ khoảng không vũ trụ. Giống nh tán xạ hớng tới,
tán xạ ngợc trở lại thiên về phía các bớc sóng xanh lam, nên bức xạ tản mát
hớng ngợc trở lại khoảng không cũng có mu lam.
http://www.ebook.edu.vn
90
Tán xạ Rayleigh còn l nguyên nhân của mu đỏ của bình minh v hong hôn
nh có thể thấy trên hình 3.5. Hình 3.5 cho thấy điều ny đã diễn ra nh thế no.
Khi Mặt Trời đang ở gần chân trời, ánh sáng Mặt Trời phải đi một khoảng cách lớn
hơn qua khí quyển so với lúc giữa tra v quãng đờng xa hơn lm tăng lợng tán
xạ Rayleigh. Vì chùm tia trực xạ phải đi quãng đờng di của nó, những bớc sóng
ngắn nhất của bức xạ bị suy kiệt, còn các bớc sóng di hơn chiếm tỉ phần tăng lên
trong ánh sáng trực xạ. Bầu trời ở lân cận Mặt Trời vì thế m có sắc đỏ do các ánh
sáng lục v lam (bớc sóng ngắn hơn) bị suy kiệt.
Hình 3.4. Cảnh Trái Đất đang lên do các du hnh gia của Apollo 11 nhìn thấy. Mặc dù ảnh
ny chụp ban ngy, Mặt Trăng không có bầu trời xanh. Đó l do ở đó không có khí quyển để
tán xạ bức xạ tới từ Mặt Trời. Hãy để ý sắc lam của Trái Đất, hệ quả của sự tán xạ Rayleigh
Tán xạ Mie. Các chuyển động thẳng đứng trong khí quyển tơng đối mạnh
nên khí quyển luôn chứa những hạt son khí lơ lửng. Điều ny đúng không chỉ ở các
thnh phố, nơi có xu thế nồng độ ô nhiễm không khí cao hơn, m còn ở những vùng
nông thôn cách xa với các hoạt động đô thị. Các hạt son khí vi mô lớn hơn nhiều so
với các phân tử không khí v chúng tán xạ ánh sáng bằng một quá trình gọi l
tán
xạ Mie
. Khác với tán xạ Rayleigh, tán xạ Mie chủ yếu về phía trớc, chỉ lm cho
một lợng năng lợng tơng đối nhỏ quay ngợc lại khoảng không. Ngoi ra, tán xạ
Mie gần nh không có xu hớng tán xạ bức xạ bớc sóng ngắn nh tán xạ Rayleigh.
Do đó, vo những ngy có sơng hay ô nhiễm cao (khi nồng độ son khí cao) bầu trời
trở nên xám, vì ton bộ phần nhìn thấy của phổ bị tán xạ một cách hiệu quả về phía
mặt đất.
Tán xạ Mie cng lm cho bình minh v hong hôn trở nên đỏ hơn so với khi chỉ
do tán xạ Rayleigh, cho nên các đợt ô nhiễm không khí nặng dẫn tới những buổi
hong hôn rất ngoạn mục (hình 3.6). Các vụ cháy có thể cng lm cho tán xạ Mie
tăng cờng hơn nữa. C dân miền tây nớc Mỹ tận mắt thấy đợc hiện tợng ny
http://www.ebook.edu.vn
91
khi nhiều vụ cháy lớn thiêu trụi khắp khu vực vo mùa hè năm 2002. Nếu một vụ
cháy đủ lớn, tán xạ Mie có thể tăng lên ở những khoảng cách rộng theo chiều gió.
Thí dụ năm 1998, hỏa hoạn ở Công viên Quốc gia Yosemite lm rực đỏ bầu trời tới
tận Minneapolis, Minnesota. Các vụ phun tro núi lửa, nh vụ lớn ở Pinatubo năm
1991, thậm chí có thể lm thẫm mu đỏ của bình minh v hong hôn trên khắp bán
cầu, vì gió trên bình lu quyển mang các son khí đi rất xa nguồn của chúng.
Hình 3.5. Bình minh v hong hôn có mu đỏ vì ánh sáng Mặt Trời đi qua quãng đ~ờng
di hơn trong khí quyển, gây nên tán xạ mạnh, loại bỏ các b~ớc sóng ngắn khỏi chùm
tia bức xạ tới. Kết quả l ánh sáng Mặt Trời chứa gần nh~ ton l các b~ớc sóng di (đỏ)
Hình 3.6. Tán xạ các b~ớc
sóng ngắn lm tăng mu đỏ
của bình minh v hong hôn
trong những thời kỳ nồng độ
hạt li ti cao trong khí quyển
http://www.ebook.edu.vn
92
Tán xạ không chọn lọc. Các giọt nớc trong mây lớn hơn nhiều so với những
hạt li ti lơ lửng; do đó chúng tán xạ ánh sáng theo một cách khác nữa, ít hoặc nhiều
giống nh các lăng kính. Một giọt nớc biệt lập tác động tới các bớc sóng khác
nhau của bức xạ Mặt Trời một cách khác nhau. Bạn nhìn thấy điều ny khi no
bạn đợc chứng kiến một cầu vồng, nó lm cho từng bớc sóng bị khúc xạ (đổi
hớng) một lợng khác nhau, từ đó có những băng mu riêng. Tuy nhiên, về tổng
thể mây phản xạ tất cả các bớc sóng của bức xạ tới gần nh nhau, đó l nguyên
nhân mây thnh ra có mu trắng hoặc xám. Bởi vì không u tiên cho một bớc sóng
cụ thể no, sự tán xạ của mây đôi khi đợc gọi l
tán xạ không chọn lọc.
Mây còn l tác nhân quan trọng nhất tán xạ không chọn lọc v có một ảnh
hởng to lớn tới quá trình nhận bức xạ Mặt Trời trên ton cầu, vì nó phản xạ một
lợng năng lợng rất lớn trở lại khoảng không vũ trụ.
Vận chuyển
Khi bức xạ Mặt Trời đi qua khoảng chân không của không gian vũ trụ thì
không có một biến đổi no về cờng độ, hớng hay bớc sóng của nó. Tuy nhiên, khi
nó đi vo khí quyển, chỉ có một phần bức xạ có thể đi qua không bị cản trở tới bề
mặt. Tổng lợng biến đổi rất mạnh tùy thuộc vo những điều kiện khí quyển. Một
bầu khí quyển trong v khô có thể truyền qua tới 80 % bức xạ Mặt Trời tới nh l
chùm bức xạ trực tiếp không bị tán xạ v hấp thụ. Đó l những gì bạn đợc trải
nghiệm vo một ngy trời quang, không nhiễm bẩn với những bóng râm sắc rõ nét.
Ngợc lại, khi trời nhiều mây hay sơng mù, chỉ một phần nhỏ bức xạ Mặt Trời đạt
tới mặt đất nh l trực xạ. Trong những điều kiện đó, tổng lợng bức xạ đạt tới mặt
đất thì bị suy giảm, đồng thời trực xạ chuyển thnh bức xạ tản mát hay tán xạ.
Số phận của bức xạ Mặt Trời
Vì quỹ đạo Trái Đất quanh Mặt Trời không phải hon ton tròn nên có chút ít
biến thiên mùa về lợng bức xạ tới khả năng, năng lợng Mặt Trời khả năng vo kỳ
cận điểm nhiều hơn khoảng 7 % so với kỳ viễn điểm. Bất chấp sự biến thiên đó, sẽ
l tiện lợi nếu chúng ta coi bức xạ tới đỉnh khí quyển l không đổi v xem điều gì sẽ
xảy ra, về trung bình, với khoản năng lợng đó. Nói cách khác, chúng ta phải tính
toán lợng bức xạ tơng đối truyền qua khí quyển, bị hấp thụ bởi khí quyển v mặt
đất v bị tán xạ trở lại khoảng không.
Một công việc nh thế quan trọng hơn một hoạt động kế toán đơn thuần, bởi vì
lợng bức xạ bị hấp thụ bởi khí quyển v mặt đất sẽ ảnh hởng lớn tới nhiệt độ của
khí quyển v mặt đất. Để đơn giản, chúng ta chấp nhận 100 đơn vị bức xạ tới có
mặt tại đỉnh khí quyển v sau đó so sánh lợng năng lợng tán xạ ngợc trở lại
khoảng không v bị hấp thụ bởi khí quyển v mặt đất với 100 đơn vị đó. Luôn nhớ
rằng, những giá trị đợc biểu diễn trong lập luận ny l các giá trị trung bình năm
v ton cầu; nó không cần áp dụng đối với một nơi hay một thời gian no cụ thể
(xem hình 3.7).
Về trung bình ton cầu, khí quyển hấp thụ 25 trong số 100 đơn vị hiện có tại
đỉnh khí quyển. 7 trong số 25 đơn vị l bức xạ cực tím bị hấp thụ trong bình lu
http://www.ebook.edu.vn
93
quyển bởi ôzôn, phần lớn còn lại l bức xạ cận hồng ngoại bị hấp thụ trong đối lu
quyển bởi các chất khí (chủ yếu hơi nớc). Vậy phần lớn bức xạ hấp thụ bởi khí
quyển không phải l bức xạ nhìn thấy - một tình thế có lợi với chúng ta, bởi vì nếu
nh bức xạ nhìn thấy bị hấp thụ mạnh bởi khí quyển, thì chúng ta khó m nhìn
đợc. Phải nhận xét thêm rằng tơng đối ít bức xạ sóng ngắn bị hấp thụ bởi mây;
ngợc lại, mây tác động đến bức xạ tới chủ yếu thông qua sự tán xạ v phản xạ.
Hình 3.7. Bức xạ Mặt Trời tới khả năng chịu tác động của một số quá trình khi nó đi qua khí
quyển. Mây v các khí khí quyển phản xạ tuần tự 19 v 6 đơn vị trở lại khoảng không. Khí
quyển hấp thụ 25 đơn vị. Chỉ một nửa bức xạ tới khả năng tại đỉnh khí quyển thực sự đạt tới
mặt đất, từ đó 5 đơn vị nữa bị phản xạ ng~ợc lại. Bức xạ ròng do mặt đất hấp thụ l 45 đơn vị
Tuy các giọt nớc mây hấp thụ bức xạ sóng ngắn tơng đối kém hiệu quả,
chúng tán xạ trở lại một tỉ phần lớn năng lợng tới. Mây có albeđô cao không những
lm cho nó đợc nhìn thấy rõ thậm chí từ trong vũ trụ, m còn lm giảm mạnh
lợng năng lợng khả năng lm nóng khí quyển v bề mặt. Về trung bình, thảm
mây ton cầu phản xạ 19 đơn vị bức xạ tới trở lại vũ trụ. Nhng mây không phải l
tác nhân phản xạ duy nhất. Lấy trung bình ton cầu, các chất khí khí quyển v son
khí tán xạ ngợc lại vo vũ trụ 6 trong số 100 đơn vị bức xạ tới tại đỉnh khí quyển,
trong đó tán xạ Rayleigh quan trọng hơn tán xạ Mie (bởi vì tán xạ Mie chủ yếu
hớng xuống phía dới hơn l hớng trở lại vũ trụ). Tổng cộng, tán xạ bởi mây v
các chất khí trả lại vũ trụ 25 đơn vị (tức chúng lm cho khí quyển có albeđô =25 %).
Sau khi khí quyển hấp thụ v tán xạ, 50 đơn vị bức xạ tới có thể đạt tới bề mặt.
Nhng không phải tất cả bức xạ đạt tới bề mặt đợc hấp thụ, bởi vì bề mặt Trái Đất
không phải đen tuyệt đối. Trong số 50 đơn vị xuống tới bề mặt, 5 đơn vị bị quay trở
lại khoảng không. Tổng cộng có tất cả 30 đơn vị bức xạ Mặt Trời đợc phát tán trở
lại vũ trụ (25 từ khí quyển v 5 từ bề mặt), dẫn tới một albeđô hnh tinh l 30 %.
Hãy lu ý l lợng bức xạ tới bị phản xạ từ mặt đất hơi nhỏ hơn lợng bị phát tán
trở lại bởi các chất khí khí quyển. Nói cách khác, khi nhìn từ vũ trụ, hnh tinh của
chúng ta sáng l nhờ phản xạ khí quyển hơn l nhờ phản xạ mặt đất.
Kết quả cuối cùng của các quá trình ny l
khí quyển hấp thụ 25 đơn vị năng
http://www.ebook.edu.vn
94
lợng, còn mặt đất nhận lấy 45 đơn vị. Nếu nh câu chuyện chỉ có thế, tất cả chúng
ta sẽ bị nguy to, bởi vì sự cung ứng nhiệt không đổi sẽ lm cho hnh tinh liên tục
nóng lên. Thật vậy, nếu nh nguồn năng lợng ny đợc tích lũy trong một lớp vi
cm bên trên bề mặt Trái Đất, thì mặt đất sẽ bị nung nóng với tốc độ vi trăm độ
bách phân trong một ngy!
Rõ rng chúng ta không thấy các đại dơng bị sôi lên, m mặt đất thì cũng
không bị nóng chảy ra; vậy thì bề mặt phải không ngừng lm mất năng lợng. Khí
quyển cũng thế, v đối với ton bộ hệ thống Trái Đất - khí quyển cũng thế. Nói cách
khác, trong điều kiện không có biến đổi khí hậu, thì bề mặt, khí quyển v hệ thống
hnh tinh phải lm mất nhiều năng lợng nh chúng đã nhận đợc. Để đạt đợc sự
cân bằng năng lợng đó, những lợng năng lợng khổng lồ phải đợc vận chuyển ra
khỏi hệ thống Trái Đất, v trong phạm vi hệ thống giữa bề mặt v khí quyển. Bây
giờ chúng ta bn đến những cơ chế liên quan tới việc duy trì cân bằng năng lợng
của Trái Đất.
Những quá trình truyền năng l~ợng giữa bề mặt v khí quyển
Khí quyển v bề mặt không ngừng trao đổi năng lợng với nhau. Phần lớn quá
trình trao đổi năng lợng đó đợc thực hiện bằng phát xạ v hấp thụ bức xạ, nhng
các quá trình khác cũng quan trọng. Mục ny mô tả những quá trình m thông qua
chúng năng lợng đợc truyền đi.
Trao đổi bức xạ bề mặt - khí quyển
Giống nh tất cả những vật thể khác có nhiệt độ nằm trong phạm vi nhiệt độ
Trái Đất, bề mặt Trái Đất v khí quyển phát năng lợng gần nh hon ton ở vùng
sóng di (chủ yếu l nhiệt hồng ngoại). Mọi bn luận về vận chuyển năng lợng
sóng di đều có phần phức tạp hơn so với bn luận về bức xạ Mặt Trời, bởi vì năng
lợng sóng di không có điểm đầu hay điểm cuối rõ rệt.
Bức xạ sóng di do bề mặt Trái Đất phát xạ bị hấp thụ mạnh bởi khí quyển.
Điều đó lm tăng nhiệt độ của khí quyển v lm cho khí quyển cng phát xạ nhiều
năng lợng hơn ra ngoi khoảng không. Năng lợng do khí quyển phát xạ đợc
truyền trong tất cả các hớng, kể cả hớng xuống phía dới, v do đó, bề mặt nhận
đợc một phần đáng kể năng lợng ny. Quá trình ny lại lm bề mặt đợc nung
nóng tiếp, lại dẫn tới tăng phát bức xạ sóng di từ bề mặt, khí quyển lại thu đợc
nhiệt, v cứ thế tiếp diễn. Nói cách khác, có một chu trình trao đổi vô tận, trong đó
năng lợng liên tục vận chuyển tới v lui.
Hình 3.8 mô tả lợng bức xạ sóng di trung bình ton cầu trao đổi giữa khí
quyển v bề mặt. Bắt đầu với bề mặt, chúng ta thấy rằng 104 đơn vị bức xạ sóng
d
i đợc phát lên trên
vo khí quyển, phần lớn nhất (100 đơn vị) bị hấp thụ bởi khí
quyển. Khí quyển trong sạch hấp thụ bức xạ nhiệt tốt hơn nhiều so với bức xạ Mặt
Trời, chính l do sự có mặt của hơi nớc v cacbonic. Nh đã thấy trên hình 3.9, cả
hai chất khí ny đều l những vật hấp thụ tốt bức xạ sóng di, dải hấp thụ mạnh
nằm ở phần sóng di của phổ (xem chuyên mục
3-1: Những nguyên lý vật lý: Sự hấp
thụ chọn lọc bởi hơi noớc vu khí cacbonic
).
http://www.ebook.edu.vn
95
Hình 3.8. Sự di chuyển bức xạ sóng di giữa bề mặt v khí quyển. Bề mặt
phát 104 đơn vị lên khí quyển v nhận 88 từ khí quyển, tổn thất ròng 16 đv.
Khí quyển phát 154 đơn vị v nhận 100 từ bề mặt, thiếu hụt ròng 54 đv
Hình 3.9. Bề mặt Trái Đất phát bức xạ gần giống vật đen (a), nh~ng các chất khí khí quyển
hấp thụ phần lớn năng l~ợng với b~ớc sóng ngoi dải 8 đến 11 m.

Vùng bị tô đen ở (a)
chỉ năng l~ợng bị khí quyển hấp thụ. Hình (b) biểu diễn hiệu suất hấp thụ năng l~ợng của
các chất khí cụ thể. Tỉ lệ của vùng tô đen chỉ phần trăm của năng l~ợng sóng di bị hấp thụ
Mặc dù hơi nớc, cacbonic v các chất khí nh kính khác l những chất hấp
thụ tốt phần lớn các bớc sóng của bức xạ sóng di, một phần của phổ sóng di có
thể đi qua khí quyển một cách tơng đối vô hại. Điều rất lý thú l, các bớc sóng
http://www.ebook.edu.vn
96
trong dải ny, 8 đến 12 m

, lại trùng hợp với các bớc sóng m bề mặt Trái Đất
phát xạ mạnh nhất. Dải bớc sóng không bị các chất khí khí quyển hấp thụ ny
đợc gọi l
cửa sổ khí quyển. Không nên nghĩ rằng cửa sổ khí quyển l nơi khí
quyển không có một số chất khí, nó chỉ l một dải bớc sóng có tầm quan trọng đặc
biệt đối với sự cân bằng bức xạ.
Mặc dù các chất khí của khí quyển không hấp thụ hiệu quả những bớc sóng
trong cửa sổ khí quyển, nhng mây (thậm chí với độ dy rất khiêm tốn) lại sẵn
sng hấp thụ gần nh tất cả bức xạ sóng di. Điều ny giải thích tại sao các đêm
nhiều mây không bị lạnh nhanh nh những đêm trời trong. Khi bầu trời đêm bị
phủ đầy mây, thảm mây hấp thụ một phần lớn năng lợng m lẽ ra sẽ thoát vo vũ
trụ. Đợc nóng lên bởi năng lợng đó, mây phát bức xạ sóng di xuống phía bề mặt
v những lợng ít hơn lên trên vo khoảng không. Nh vậy, mây có tác dụng giống
nh một tấm chăn giúp giữ nhiệt.
3-1 Những nguyên lý vật lý:
Sự hấp thụ chọn lọc của hơi nớc v khí
cacbonic
Hơi nớc v cacbonic l hai chất khí
quan trọng nhất đối với sự hấp thụ sóng
di do bề mặt phát xạ. Vì sao những chất
khí ny có tính chọn lọc, chúng gần nh
trong suốt đối với bức xạ sóng ngắn,
nhng gần nh không xuyên qua đối với
sóng di. Hãy nhớ lại từ chơng 2 rằng
các nguyên tử biệt lập có những trạng
thái năng lợng gián đoạn, v chỉ có một
số trạng thái năng lợng có thể. Khi năng
lợng đợc hấp thụ v phát xạ bởi một
phân tử khí, trạng thái năng lợng của
nó tăng v giảm những lợng gián đoạn
từ một trạng thái cho phép tới trạng khái
khác. Chúng ta cũng đã thấy năng lợng
liên quan tới một phôtôn bức xạ l gián
đoạn v phụ thuộc vo bớc sóng của nó.
Nếu biết bớc sóng, chúng ta biết mức
năng lợng của phôtôn.
Vì vậy, các phân tử khí buộc phải
hấp thụ chỉ những phôtôn nhất định, cụ
thể l những phôtôn no đẩy đợc phân
tử tới các trạng thái năng lợng cho phép.
Những phôtôn với giá trị năng lợng cao
hơn hoặc thấp hơn sẽ không bị hấp thụ
m ngợc lại, đi qua đợc chất khí. Bởi vì
một bớc sóng duy nhất liên quan với mỗi
mức năng lợng, điều ny t
ơng đơng
với nói rằng chỉ các bớc sóng nhất định
mới có thể bị hấp thụ bởi một chất khí cụ
thể. (Điều ny không đúng với các chất
lỏng v rắn, các phân tử của chúng tơng
tác để hấp thụ liên tục nhiều hơn). Một
bớc sóng cụ thể có thể bị hấp thụ hay
không tùy thuộc vo cấu trúc phân tử của
chất hấp thụ (hình dáng hình học của các
điện tử, v.v ). Nh đã thấy, các chất khí
trong khí quyển không có băng hấp thụ
mạnh ở phần phổ nhìn thấy. Nhng một
số trong chúng, gồm hơi nớc v cacbonic,
có cấu trúc phân tử cho phép hấp thụ bức
xạ sóng di. Kết cục, các chất khí khác
nhau hấp thụ phần lớn năng lợng sóng
di đi qua khí quyển.
Hãy xem lại hình 3.8. Năng lợng khí quyển phát tổng cộng 154 đơn vị, trong
đó 88 hớng xuống phía bề mặt v 66 phát lên khoảng không. Lu ý rằng bức xạ
sóng di bị mất từ khí quyển vợt trội lợng m nó hấp thụ từ bề mặt. Hiệu giữa
bức xạ sóng di bị hấp thụ v phát đi đợc gọi l
bức xạ sóng di thuần. Đối với
http://www.ebook.edu.vn
97
khí quyển, bức xạ sóng di thuần l một số âm 54 (
154100
) đơn vị. Tơng tự, bề
mặt nhận 88 đơn vị bức xạ sóng di, nhng lợng ny bé hơn 104 đơn vị phát đi,
vậy thiếu hụt bức xạ sóng di thuần l 16 đơn vị.
Hình 3.10. Bức xạ thuần l kết quả cuối cùng của hấp thụ bức xạ tới v hấp thụ v phát xạ bức xạ
sóng di. Bề mặt có một d~ l~ợng bức xạ 29 đơn vị, còn khí quyển có thiếu hụt 29 đơn vị
Mặc dù bức xạ sóng ngắn v sóng di đợc hấp thụ v phản xạ với các lợng
khác nhau, nhng chúng không phải l những thứ tách biệt hẳn nh l sự nung
nóng khí quyển v sự nung nóng bề mặt m chúng ta quan tâm. Khi một thứ đợc
hấp thụ, vật hấp thụ bị nóng lên. Vì vậy một cách tự nhiên, chúng ta kết hợp sóng
di v sóng ngắn thnh bức xạ tổng cộng các sóng thuần, hay đơn giản l
bức xạ
thuần
, đợc định nghĩa l hiệu giữa bức xạ hấp thụ v bức xạ phát xạ, hay một
cách tơng đơng, năng lợng thuần nhận đợc hay bị mất đi do bức xạ.
Hình 3.10 tổng kết cân bằng bức xạ thuần đối với Trái Đất. Khí quyển hấp thụ
25 đơn vị của bức xạ Mặt Trời, nhng chịu tổn thất thuần 54 đơn vị của bức xạ
nhiệt để dẫn đến thiếu hụt thuần 29 đơn vị. Bề mặt hấp thụ 45 đơn vị bức xạ Mặt
Trời, nhng bị thiếu hụt sóng di 16 đơn vị, dẫn đến d lợng bức xạ thuần 29 đơn
vị. Nói cách khác, khí quyển có một lợng thiếu hụt thuần về năng lợng bức xạ
đúng bằng d lợng m bề mặt có đợc.
Nếu nh bức xạ l phơng tiện duy nhất trao đổi năng lợng, d lợng năng
lợng bức xạ nhận đợc bởi bề mặt sẽ dẫn tới một sự nóng lên liên tục, trong khi
thiếu hụt của khí quyển sẽ dẫn tới sự lạnh đi vĩnh viễn. Nếu vậy thì bn chân
chúng ta sẽ bị rộp lên vì một mặt đất nóng bỏng khủng khiếp, trong khi phần còn
lại của thân thể với không khí lạnh cóng bao quanh sẽ bị đông cứng. Điều đó dĩ
nhiên đã không xảy ra, bởi vì năng lợng đợc vận chuyển từ bề mặt vo khí quyển
v trong phạm vi khí quyển bằng hai hình thức truyền nhiệt khác: truyền dẫn v
http://www.ebook.edu.vn
98
đối lu. Vận chuyển năng lợng thuần bởi hai quá trình ny cho phép d lợng bức
xạ tại bề mặt bị triệt tiêu, đồng thời bù đắp cho thâm hụt bức xạ của khí quyển.
Truyền dẫn
Sự truyền dẫn đã đợc mô tả khái lợc ở chơng 2 đóng vai trò quan trọng
trong sự vận chuyển năng lợng ở lân cận bề mặt. Vì năng lợng bức xạ đợc hấp
thụ bởi bề mặt rắn của Trái Đất trong thời gian giữa ban ngy, một građien nhiệt
độ (tốc độ biến đổi của nhiệt độ theo khoảng cách) phát triển ở lớp đất trên dy vi
xăngtimét. Nói cách khác, nhiệt độ gần bề mặt trở nên lớn hơn nhiệt độ ở một vi
xăngtimét bên dới. Kết quả l truyền dẫn mang năng lợng xuống phía dới. Sự
nung nóng đất trong ngy còn tạo nên một građien nhiệt độ trong phạm vi lớp rất
mỏng của không khí cận kề bề mặt, gọi l
lớp biên phân tầng. Mặc dù không khí
thờng di động hơn v có khả năng dễ dng bị xáo trộn, các lớp rất mỏng với độ dy
cỡ vi milimét cản trở sự xáo trộn. Vì thế, trong thời gian giữa ban ngy građien
nhiệt độ rất mạnh có thể phát triển trong lớp biên phân tầng, thông qua đó có thể
xảy ra sự dẫn nhiệt đáng kể. Năng lợng đợc dẫn qua lớp biên phân tầng sau đó
đợc phân phối cho phần còn lại của khí quyển bằng một quá trình xáo trộn đợc
gọi l sự đối lu.
Đối lu
Đối lu l một quá trình trong đó nhiệt lợng đợc truyền đi bằng sự chuyển
động vật thể của vật lỏng - tức chất lỏng hoặc chất khí. Trái ngợc với truyền dẫn,
đối lu liên quan tới sự di chuyển thực của các phân tử. Không giống với sự truyền
dẫn vận chuyển năng lợng từ bề mặt vo khí quyển, đối lu lm lu thông nhiệt
lợng ny giữa bộ phận thấp nhất v bộ phận còn lại của khí quyển. Hớng của vận
chuyển nhiệt l hớng lên trên khi nhiệt độ bề mặt vợt trội nhiệt độ không khí
(tình huống thông thờng vo thời gian giữa ngy). Ban đêm, bề mặt thờng lạnh
đi nhanh hơn so với không khí v năng lợng đợc truyền hớng xuống dới. Sự đối
lu có thể phát sinh bởi hai quá trình trong các chất lỏng: nung nóng cục bộ (đối
lu tự do) v khuấy động cơ học (đối lu cỡng bức).
Đối lu tự do. Đối lu tự do l quá trình xáo trộn liên quan tới độ nổi - xu thế
một chất lỏng nhẹ hơn nổi lên trên khi bị bao quanh bởi một chất lỏng nặng hơn.
Hãy nhớ lại những ngy thơ ấu của bạn, khi bạn muốn chọc tức cha mẹ mình bằng
cách thổi bong bóng qua cái cọng rơm trong cốc sữa. Khi không khí đợc thổi vo
sữa, nó phải lập tức nổi lên trên, vì nó nhẹ hơn v tạo nên sự xáo trộn rối. Đó l
biểu hiện của đối lu tự do.
Đối lu tự do (đợc thể hiện trong hình 3.11a) thờng xuất hiện khi một bộ
phận không khí cục bộ bị nung nóng hơn so với không khí lân cận. Vì không khí
nóng nhẹ hơn không khí lạnh, nó có độ nổi tơng đối v nâng lên. Vo một ngy hè
ấm áp, chúng ta có thể thấy hiệu ứng của đối lu tự do bằng cách quan sát một con
chim diều hâu (hình 3.11b) bay lợn thả mình trong không khí không vẫy cánh. Cú
bay đó l có thể bởi vì cánh có chức năng đón những luồng không khí nhẹ thăng lên
nâng con diều hâu lên. Đối lu có thể có các tác động quan trọng hơn nữa so với việc
http://www.ebook.edu.vn
99
giữ những con diều hâu trong không khí.
Hình 3.11. Đối l~u (a) l một cơ chế truyền nhiệt liên quan tới sự xáo trộn của chất lỏng.
Trong đối l~u tự do, nung nóng cục bộ có thể lm cho một bộ phận không khí nâng lên
v đ~ợc thay thế bởi không khí xung quanh. Đối l~u tự do có thể tạo nên những luồng
không khí thăng giữ một con diều hâu l~ợn trong không khí (b) m không cần vẫy cánh
Đối lu cỡng bức. Đối lu cỡng bức (còn gọi l rối cơ học) xuất hiện khi
một chất lỏng bị cuốn vo những chuyển động cuộn xoáy vô tổ chức khi nó chịu tác
động của một dòng chảy quy mô lớn. Thí dụ, khi nớc chảy qua một kênh sông, nó
không chảy một cách đều đặn nh nớc si rô rất đậm đặc. Ngợc lại, dòng chảy tan
vỡ ra thnh rất nhiều
cuộn xoáy. Đối lu cỡng bức trong khí quyển đợc biểu diện
trên hình 3.12. Không khí chuyển động theo phơng ngang chịu tác động của chính
loại rối ny. Thay vì di chuyển nh một khối đồng đều, không khí bị tan vỡ thnh
rất nhiều cụm nhỏ, mỗi cụm với tốc độ v hớng của riêng mình, cùng nhau lm
thnh dòng chảy quy mô lớn hơn. Vì ở đây có một hợp phần thẳng đứng khá mạnh
trong các chuyển động rối, nên đối lu cỡng bức trợ giúp cho sự vận chuyển năng
lợng từ đỉnh của lớp biên phân tầng đi lên phía trên trong thời gian ban ngy.
Nói chung, tốc độ gió cng lớn thì sinh ra đối lu cỡng bức cng mạnh. Rối cơ
học còn đợc tăng cờng khi không khí chảy qua những bề mặt gồ ghề (thí dụ, các
khu rừng v các thnh phố) chứ không phải l những bề mặt trơn nhẵn nh các
sông băng. Đối lu tự do v cỡng bức vận chuyển hai loại năng lợng: nhiệt hiện
v nhiệt ẩn.
Hình 3.12. Đối l~u c~ỡng bức. Không
khí bị c~ỡng bức xáo trộn theo ph~ơng
thẳng đứng vì độ nhớt (khả năng gắn
bó với nhau) của nó thấp v gió bị lệch
h~ớng bởi những cấu trúc bề mặt
Nhiệt hiện. Vận chuyển năng lợng nh l nhiệt hiện thì dễ hiểu. Khi năng
http://www.ebook.edu.vn
100
lợng đợc bổ sung cho một chất, có thể xuất hiện một sự tăng nhiệt độ m chúng
ta cảm nhận đợc (do đó m có thuật ngữ
nhiệt hiện). Đó l cái m bạn trải nghiệm
đợc khi bạn ở ngoi trời vo một ngy có Mặt Trời ấm áp; sự tăng nhiệt độ da của
bạn l do nhận đợc nhiệt hiện. Giá trị tăng nhiệt độ liên quan tới hai nhân tố,
nhân tố thứ nhất l
nhiệt dung riêng, đợc định nghĩa l lợng nhiệt cần thiết để
tạo ra một biến đổi nhiệt độ đã định cho một đơn vị khối lợng của chất. Trong hệ
đơn vị SI, nhiệt dung riêng đợc biểu diễn bằng J/(kg.K). Nếu mọi điều kiện khác
nh nhau, thì một chất với nhiệt dung riêng cao nóng lên chậm, bởi vì đòi hỏi nhiều
năng lợng để tạo ra một biến đổi nhiệt độ đã định. Tơng tự, nếu chấp nhận cùng
một tốc độ mất năng lợng, thì một chất với nhiệt dung riêng cao sẽ cần thời gian
lâu hơn để bị lạnh đi.
Hình 3.13. Hm l~ợng nhiệt của một chất phụ thuộc vo một số nhân tố. ở (a) nhập
l~ợng 4190 J năng l~ợng cho 1 kg n~ớc lm tăng nhiệt độ 1
o
C, còn nhập l~ợng năng
l~ợng gấp đôi lm nóng gấp đôi. Nhiệt dung riêng của một chất còn ảnh h~ởng tới độ
biến đổi nhiệt độ từ một nhập l~ợng năng l~ợng. ở (b) sử dụng 4190 J cho 1 kg cát
lm tăng nhiệt độ lớn hơn 5 lần so với 1 kg n~ớc. Khối l~ợng cũng ảnh h~ởng tới độ
biến đổi nhiệt độ t~ơng ứng của một nhập l~ợng năng l~ợng cho tr~ớc. Hãy l~u ý ở (c)
rằng gia l~ợng nhiệt độ đối với 2 kg n~ớc bằng một nửa gia l~ợng nhiệt độ của 1 kg
Gia lợng nhiệt độ do một nhập d năng lợng còn phụ thuộc vo khối loợng
của chất. Không ngạc nhiên khi một nhiệt lợng nhập vo nhất định dẫn tới tăng
nhiệt độ rất nhiều nếu nhiệt lợng đó đợc cung cấp cho một khối lợng nhỏ. Thí
dụ, hãy so sánh lợng năng lợng cần để lm sôi một bình tr với lợng nhiệt cần
http://www.ebook.edu.vn
101
để lm nóng bồn tắm. Chỉ trong ít phút một ngăn lửa bếp lò có thể lm cho nớc
sẵn sng pha tr, nhng máy đun nớc của bạn phải cung cấp nhiều năng lợng
hơn cho lợng nớc lớn của bồn tắm. Những quan hệ ny đã đợc thể hiện trên
hình 3.13.
Nhiệt hiện truyền đi bằng truyền dẫn qua lớp biên phân tầng v sau đó phân
phát lên phía trên bằng đối lu. Thông qua các cơ chế ny, 8 trong số 29 đơn vị d
lợng bức xạ thuần của bề mặt đợc truyền vo khí quyển, ở đây nó bù trừ cho
lợng thâm hụt bức xạ thuần. 21 đơn vị còn lại đợc đợc truyền vo khí quyển
bằng đối lu nhiệt dới một dạng khác.
Nhiệt ẩn. Nhiệt ẩn l một thứ gì đó ít trực giác hơn so với nhiệt hiện. Nó l
năng lợng cần để thay đổi pha của một chất (tức trạng thái chất l rắn, lỏng hay
khí). Trong khí tợng học, chúng ta chủ yếu chỉ đề cập tới nhiệt lợng liên quan tới
sự thay đổi pha của nớc.
Nhớ lại rằng tất cả các quá trình vật lý đòi hỏi năng lợng. Bay hơi nớc v tan
chảy băng không phải l những ngoại lệ của quy tắc ny - đối với cả hai quá trình,
năng lợng cần phải đợc cung cấp. Trong trờng hợp tan băng, năng lợng đợc
gọi l
nhiệt ẩn nóng chảy. Đối với sự thay đổi pha từ lỏng sang khí, năng lợng đợc
gọi l
nhiệt ẩn hóa hơi. Để hóa hơi 1 kg nớc lỏng, cần bảy lần rỡi năng lợng
(2500000 J) lớn hơn trờng hợp lm tan chảy cùng lợng băng nh vậy (335 000 J).
Mặc dù cả hai dạng nhiệt ẩn có thể đều quan trọng cục bộ, nhng ở quy mô ton
cầu, thì nhiệt ẩn hóa hơi quan trọng hơn nhiều.
Khi bức xạ đợc nhận từ bề mặt, nó có thể lm tăng nhiệt độ của đất hay nớc.
Nếu có nớc ở bề mặt (hoặc có thể đợc lấy lên từ phía dới bề mặt nhờ hệ thống rễ
cây), thì phần năng lợng no đó thay vì có thể bị sử dụng để lm tăng nhiệt độ bề
mặt lại có thể dùng vo lm bay hơi một phần nớc. Điều đó lm cho nhiệt độ tăng
ít hơn so với trờng hợp bề mặt khô. Bạn có lẽ đã trải nghiệm đợc điều ny trong
khi đi bộ chân không trên một vỉa hè nóng. Nếu vỉa hè đợc phun nớc, bề mặt sẽ
lạnh đi, vì năng lợng đợc lấy từ nền đất v dùng cho bay hơi. Lợng năng lợng
tiêu thụ có thể bằng 90 % của bức xạ Mặt Trời hấp thụ đối với một bề mặt rất ẩm.
Chúng ta sử dụng một thí dụ quen thuộc khác để minh họa cho khái niệm
nhiệt ẩn. Tất cả chúng ta đều biết rằng ra mồ hôi l một cơ chế lm hạ nhiệt độ cơ
thể v giữ cho chúng ta không bị quá nóng. Nhng nó hoạt động ra sao? Rõ rng l
mồ hôi lạnh - nhng nó nóng nh cơ thể tạo ra nó. Nguyên nhân m mồ hôi lm
mát ng
ời ta l nhiệt ẩn. Khi bạn luyện tập, nhiệt lợng đợc tạo ra nh một phụ
phẩm lm cho nhiệt độ cơ thể bạn tăng lên. Tuy nhiên, nếu da bạn đợc phủ nớc
v nớc đó
đợc tự do bay hơi, thì một phần năng lợng do cơ thể bạn sinh ra đợc
dùng lm bay hơi nớc chứ không lm tăng nhiệt độ cơ thể bạn.
Năng lợng cần để bay hơi nớc hay tan băng đợc gọi l ẩn, bởi vì nó không bị
biến mất. Nó đợc giữ, ẩn trong khí quyển để giải phóng sau ny khi quá trình
ngợc lại xảy ra - ngng tụ hơi nớc thnh những giọt mây hay sơng lỏng. Kết
cục, sự bay hơi nớc lm cho năng lợng hiện diện tiềm tng ở trong khí quyển chứ
không phải l lm nóng bề mặt. Vậy nó tác động nh một cơ chế vận chuyển năng
http://www.ebook.edu.vn
102
lợng, lấy nhiệt từ bề mặt cho khí quyển. Về trung bình ton cầu, tổng lợng năng
lợng truyền tới khí quyển l nhiệt ẩn bằng 21 đơn vị, nó lm cho nhiệt ẩn với t
cách l một phơng thức truyền nhiệt trở nên quan trọng hơn nhiều so với nhiệt
hiện (8 đơn vị). Có lẽ điều ny không có gì bất ngờ, nếu biết rằng hnh tinh chủ yếu
bao phủ bởi đại dơng. Những giá trị trung bình năm của các hợp phần bức xạ
thuần, nhiệt ẩn v hiện đợc biểu diễn trên hình 3.14.
Hình 3.14. Cả bề mặt v khí quyển lm mất nhiều năng l~ợng nh~ đã thu. Bề mặt có d~ l~ợng
29 đơn vị bức xạ thuần, l~ợng ny đ~ợc bù trừ bằng vận chuyển nhiệt hiện v ẩn tới khí quyển.
Khí quyển bù trừ 29 đơn vị thâm hụt bức xạ của nó bằng cách nhận nhiệt hiện v ẩn từ bề mặt
Bức xạ thuần v nhiệt độ
Cân bằng nhiệt giữa bức xạ đến v đi không chỉ l ngẫu nhiên; các định luật
vật lý chỉ ra rằng nó phải nh vậy. Để hiểu vì sao, chúng ta xem điều gì sẽ xảy ra
nếu nh Mặt Trời bỗng dng tăng đầu ra bức xạ của nó v lm tăng nhiệt độ của
Trái Đất. Vì các vật nóng phát xạ nhiều năng lợng hơn các vật lạnh, hnh tinh sẽ
thích ứng bằng cách phát năng lợng sóng di nhiều hơn vo vũ trụ. Khi no năng
lợng tới từ Mặt Trời còn vợt trội năng lợng do Trái Đất phát xạ, nhiệt độ ton
cầu còn tiếp tục tăng, v phát xạ vo vũ trụ sẽ tăng theo. Với thời gian, nhiệt độ
hnh tinh sẽ tăng tới điểm m tại đó năng lợng đi ra bằng năng lợng đi đến, v
một nhiệt độ cân bằng mới sẽ đợc thiết lập. Tất cả những giá trị cụ thể ở hình 3.14
sẽ thay đổi, nhng tổng các đầu vo v đầu ra ton cầu sẽ vẫn bằng không.
Cứ nh vậy, chúng ta bn luận về đầu ra v đầu vo trung bình năm của bức
xạ trên ton cầu. Nhng những đợc v mất về năng lợng bức xạ còn chịu trách
nhiệm về những biến thiên nhiệt độ m chúng ta quan sát đợc trong quá trình
một ngy. Hãy xem điều gì xảy ra trong một chu kỳ 24 giờ vo một ngy không
mây. Lúc bình minh, Mặt Trời xuất hiện ngay trên đ

ờng chân trời. Vì độ cao M
ặt
Trời bé, bức xạ tới đạt đến bề mặt yếu do độ lan tỏa chùm tia v quãng đờng di
m các tia phải đi xuyên qua khí quyển (đã xét ở chơng 2). Ban tra, Mặt Trời đạt
tới độ cao lớn nhất của mình bên trên đờng chân trời v bề mặt nhận đợc đầu vo
bức xạ Mặt Trời lớn nhất của nó. Từ tra đến hong hôn, độ cao Mặt Trời giảm v
bức xạ nhận giảm. Nhng kinh nghiệm cho chúng ta biết rằng thời gian nóng nhất
của một ngy thờng không xuất hiện vo lúc tra; m đôi khi vo đầu buổi chiều,
http://www.ebook.edu.vn
103
thờng giữa 2 v 4 giờ chiều.
Để giải thích độ trễ giữa bức xạ tới cực đại v nhiệt độ, chúng ta phải xem xét
những cơ chế truyền năng lợng khác: bức xạ sóng di, đối lu v truyền dẫn vo
nền đất. Nhiệt độ bề mặt tăng lên chừng no năng lợng do bề mặt nhận lớn hơn
năng lợng nó bị mất. Mặc dù bức xạ Mặt Trời bắt đầu giảm sau tra, cán cân năng
lợng bề mặt tiếp tục d cho tới cuối ngy, tại điểm đó nhiệt độ bắt đầu hạ. Chính
xác khi no điều ny xuất hiện tùy thuộc vo những điều kiện địa phơng, gồm
biên độ của đờng cong nhiệt lợng Mặt Trời, tốc độ gió, độ ẩm bề mặt v trữ lợng
nhiệt v độ dẫn nhiệt của đất
Một bức tranh tơng tự xảy ra với trờng hợp năm. Bắc bán cầu có lợng bức
xạ Mặt Trời lớn nhất, nhng không phải l những nhiệt độ cao nhất của nó vo kỳ
hạ chí. Từ khoảng 4 đến 6 tuần sau hạ chí, lợng bức xạ tới tiếp tục vợt trội lợng
mất bức xạ sóng di vo vũ trụ. Giá trị bức xạ thuần dơng cuối cùng dẫn tới một
sự ấm lên liên tục của bán cầu ny cho tới một thời gian no đó trong tháng 7 hoặc
tháng 8, khi đạt đợc những nhiệt độ cực đại.
Biến thiên theo vĩ độ
Sự cân bằng tổng cộng giữa bức xạ đến v đi đã thảo luận ở các mục trớc áp
dụng cho hnh tinh nh một tổng thể chứ không phải cho một nơi cụ thể. Hình 3.15
cho thấy rằng sự cân bằng giữa bức xạ đến v đi biến đổi theo vĩ độ. Xét về trung
bình năm, hệ thống bề mặt Trái Đất - khí quyển nhận nhiều bức xạ hơn bị mất ở
giữa khoảng các vĩ độ 38
o
bắc v nam, v nó bị mất nhiều hơn nhận từ hai vĩ tuyến
đó tới các địa cực. Ranh giới giữa các vùng nhận d v thâm hụt năng lợng bức xạ
di dịch theo mùa. Trong thời gian mùa hè Bắc bán cầu, phần lớn khu vực phía bắc
từ 15
o
S nhận nhiều năng lợng bức xạ hơn bị mất. Trong thời gian mùa đông Bắc
bán cầu, phần lớn các vùng phía nam từ khoảng 15
o
N lấy bức xạ về nhiều hơn l
phát đi.
Nếu nh không có các quá trình khác tham gia, thì d lợng bức xạ thuần giữa
38
o
bắc v nam v thâm hụt ở bên ngoi đới ny sẽ lm cho các vùng nhiệt đới v
cận nhiệt đới liên tục bị nung nóng v các vùng ngoại nhiệt đới liên tục bị lạnh đi.
Tuy nhiên, điều đó không xảy ra, bởi vì d lợng năng lợng tại các vĩ độ thấp đợc
bù trừ nhờ sự di chuyển nhiệt theo phơng ngang, hay bình lu nhiệt, về phía cực.
Sự vận chuyển ny đợc thực hiện thứ nhất bởi những hệ thống gió ton cầu (75 %)
v thứ hai bởi các dòng chảy đại dơng (25 %), nh đã minh họa trên hình 3.16.
Các hệ thống gió đợc hình thnh vì những lợng năng lợng không bằng nhau
ở những nơi khác nhau gây nên những chênh lệch áp suất. Nh chúng ta sẽ xét ở
chơng 4, không khí có xu hớng di chuyển từ những vùng áp suất cao tới những
vùng áp suất thấp hơn v sự chuyển động của không khí đợc thể hiện thnh gió
theo phơng ngang. Ngoi ra, gió thổi trên các đại dơng tác động lôi kéo tới lớp
nớc bề mặt v khởi động các dòng chảy chảy gần nh cùng hớng với không khí
bên trên. Khi gió v các dòng chảy hoạt động, chúng mang theo mình nhiệt lợng
nội tại để nhiệt đợc phân bố lại trên ton cầu.
http://www.ebook.edu.vn
104
Hình 3.15. Các giá trị bức xạ thuần trung bình năm của khí quyển
v bề mặt kết hợp. Tại các vĩ độ lớn hơn khoảng 38
o
bắc v nam
có nhận d~ năng l~ợng bức xạ. Từ các vĩ độ đó tới các cực, khí
quyển v bề mặt mất nhiều năng l~ợng bức xạ hơn nhận
Hình 3.16. Hon l~u của các dòng chảy đại d~ơng. Những dòng di chuyển n~ớc
nóng đ~ợc vẽ bằng các mũi tên đỏ, di chuyển n~ớc lạnh - các mũi tên xanh
Hiệu ứng nh kính
Những quá trình tơng tác lm nóng khí quyển thờng đợc gộp lại v gọi l
hiệu ứng nh kính, tuy nét tơng tự với một nh kính không phải đúng hon
ton. Các nh kính, nh một nh kính biểu diễn ở hình 3.17, đợc lm chủ yếu từ
http://www.ebook.edu.vn
105
kính, nó trong suốt đối với bức xạ sóng ngắn đi vo, nhng đục đối với bức xạ sóng
di đi ra. Vì vậy, kính cho phép bức xạ đi vo nhiều hơn bức xạ thoát ra, gây nên
nhiệt độ bên trong nh cao hơn ở bên ngoi. Về phơng diện đó, một nh kính
tơng tự nh khí quyển - khí quyển cũng cho phần lớn năng lợng tới từ Mặt Trời
truyền qua, nhng hấp thụ đại đa số bức xạ sóng di m bề mặt phát lên trên.
Hình 3.17. Không khí bên trong nh kính nóng
hơn bên ngoi, vì kính cho bức xạ sóng ngắn đi
vo nh~ng không cho bức xạ sóng di đi ra. Nó
cũng cản trở sự vận chuyển nhiệt ra khỏi bề
mặt bằng đối l~u. Hiệu ứng sau cùng ny lm
cho tác động của nh kính khác với khí quyển.
Do đó, thuật ngữ hiệu ứng nh kính không
hon ton phù hợp khi áp dụng cho khí quyển
Tuy nhiên, sự tơng tự sẽ không còn nữa khi chúng ta đề cập tới hiệu ứng đối
lu. Một nh kính không chỉ lm giảm bớt thâm hụt năng lợng bởi bức xạ sóng
di, nó còn ngăn chặn không cho đối lu lm mất nhiệt hiện v nhiệt ẩn. Ngợc lại,
các chất khí nh kính của khí quyển không cản trở sự vận chuyển nhiệt ẩn v hiện.
Nh vậy, sẽ l chính xác hơn nếu thuật ngữ hiệu ứng nh kính đợc thay bằng
hiệu ứng khí quyển.
Nếu nh khí quyển không có những chất khí nh kính hấp thụ bức xạ sóng
di đi ra, Trái Đất sẽ lạnh hơn rất nhiều về trung bình v nhiệt độ sẽ dao động rất
mạnh giữa ngy v đêm. Thật vậy, không có các khí nh kính v mây, bề mặt Trái
Đất sẽ có một nhiệt độ trung bình bằng -18
o
C. Hiệu ứng nh kính giữ Trái Đất ấm
hơn do hấp thụ phần lớn bức xạ sóng di do bề mặt phát xạ, đồng thời lm ấm lớp
khí quyển phía dới, đến lợt mình phát bức xạ xuống dới. Ngy nay bạn thấy
ngời ta bn luận nhiều trong môi trờng truyền thông về khả năng khí hậu nóng
lên do quá trình tăng nhân tạo các khí nh kính nh cacbon điôxit v mêtan. Mặc
dù một ít nh khoa học vẫn đang nghi ngờ tăng các khí nh kính có phải l một tác
nhân lm nóng lên ton cầu hay không, nhng tầm quan trọng của các khí nh
kính trong khí hậu ngy nay l không còn bn cãi. Chúng ta sẽ xem xét vấn đề biến
đổi khí hậu ở chơng 16.
http://www.ebook.edu.vn
106
H×nh 3.18. Ph©n bè nhiÖt ®é kh«ng khÝ bÒ mÆt trung b×nh th¸ng 1 (a),
th¸ng 7 (b) v hiÖu nhiÖt ®é gi÷a hai th¸ng (c)
http://www.ebook.edu.vn
107
Phân bố nhiệt độ ton cầu
Một trong những hệ quả trực tiếp v hiển nhiên nhất của nhận d hay thâm
hụt bức xạ l biến đổi nhiệt độ không khí. Hình 3.18 biểu diễn phân bố nhiệt độ
không khí trung bình đối với tháng 1 v tháng 6 v chênh lệch giữa hai tháng.
Mỗi đờng trên các bản đồ, gọi l một
đờng đẳng nhiệt, nối những điểm
nhiệt độ bằng nhau. Một số đặc điểm về nhiệt độ quy mô lớn thể hiện rất rõ nét ở
(a) v (b). Trớc hết, đúng nh mong đợi, nhiệt độ có xu hớng giảm về phía cực ở
cả hai bán cầu. Thứ hai, građien nhiệt độ kinh hớng lớn nhất trong mùa đông của
bán cầu (tức l Bắc bán cầu vo tháng 1 v Nam bán cầu vo tháng 7). Các građien
cao xảy ra trong bán cầu mùa đông bởi vì cả hai yếu tố - độ cao Mặt Trời giữa tra
v độ di ngy, đều giảm theo vĩ độ. Trong mùa hè, các độ cao Mặt Trời giữa tra
nhỏ hơn tại những vĩ độ cao hơn đợc bù lại bằng những ngy di hơn, thnh thử
građien nhiệt độ tơng đối yếu.
Đặc điểm thứ ba của các bản đồ l các đờng đẳng nhiệt di dịch về phía địa cực
trên lục địa ở bán cầu mùa hè v di dịch về phía xích đạo trong mùa đông. Nói cách
khác, các nhiệt độ trên lục địa có xu hớng cao hơn trong mùa hè so với trên các
thủy vực đại dơng lân cận v thấp hơn trong mùa đông. Cuối cùng, Bắc bán cầu có
građien nhiệt độ trong mùa đông của nó (a) lớn hơn so với građien ở Nam bán cầu
cũng trong mùa đông của mình (b). Đó l vì Nam bán cầu có tỉ phần đại dơng
nhiều hơn rất nhiều so với đất liền. Nh bạn thấy từ (c), các khối lục địa có biên độ
nhiệt độ năm lớn hơn nhiều so với các thủy vực đại dơng, về nguyên nhân sẽ xét
sau trong chơng ny.
Những yếu tố ảnh h~ởng tới nhiệt độ
Một số nhân tố địa lý nhất định ảnh hởng tới đặc điểm nhiệt độ ton cầu. Các
nhân tố đó bao gồm vĩ độ, độ cao, các hình thế hon lu khí quyển, các điều kiện địa
phơng, tính lục địa v các đặc điểm dòng chảy đại dơng gần những vùng ven bờ.
Vĩ độ. Phần lớn mọi ngời biết rằng, bên ngoi vùng nhiệt đới nhiệt độ trung
bình năm giảm theo vĩ độ - ông gi Noel Santa Claus sống ở Bắc cực phải có chiếc
tủ đựng quần áo phù hợp với những điều kiện cực lạnh. Vĩ độ không chỉ ảnh hởng
tới nhiệt độ trung bình, nó còn tác động tới tình hình biến đổi mùa. Nh đã mô tả ở
chơng 2, độ nghiêng của trục Trái Đất ảnh hởng tới lợng bức xạ Mặt Trời khả
năng tại vĩ độ bất kỳ vo ngy cụ thể no đó. Trong phạm vi vùng nhiệt đới, độ di
ngy v độ cao Mặt Trời giữa tra có biến thiên năm tơng đối nhỏ, do đó, năng
lợng nhận đợc biến đổi ít trong năm. Bên ngoi vùng nhiệt đới, độ cao Mặt Trời
giữa tra có biên độ tới 47
o
, độ cao Mặt Trời thấp nhất trùng với thời kỳ ngy ngắn
nhất. Kết quả l, khi khoảng cách tính từ xích đạo tăng lên thì bức xạ tới khả năng
(do đó nhiệt độ) thay đổi nhiều hơn.
Độ cao. Một điểm bất kỳ trong khí quyển có độ cao (altitude) cụ thể (tức cao độ
của nó bên trên mực nớc biển). Độ cao không đồng nghĩa với
mực (elevation) -
khoảng cách của một bề mặt đất bên trên mực nớc biển. Thí dụ, thnh phố cụ thể
no đó có thể có mực 1000 m bên trên mực nớc biển, còn không khí ở 1000 m bên
http://www.ebook.edu.vn
108
trên thnh phố sẽ có độ cao 2000 m. Độ cao v mực cả hai đều liên quan tới vị trí
tơng đối so với mực biển, nhng đại lợng thứ nhất liên quan tới các điểm trong
phạm vi khí quyển, còn đại lợng thứ hai nói đến vị trí của một bề mặt đất.
Nh đã biểu diễn ở hình 1.9, nhiệt độ trong đối lu quyển điển hình giảm theo
độ cao bên trên mực nớc biển. Điều đó xảy ra l vì bề mặt l nguồn cấp nhiệt trực
tiếp nguyên thủy đối với đối lu quyển, độ cao tăng lên có nghĩa khoảng cách lớn
hơn kể từ nguồn năng lợng. Hình 3.19 biểu diễn các nhiệt độ ngy v đêm tại ba
địa điểm. Vị trí A nằm cao vi mét bên trên bề mặt tại mực biển. Vị trí B nằm ở
3000 m ngay bên trên A, còn vị trí C nằm ở 3000 m bên trên mực biển nhng chỉ
vi mét bên trên bề mặt núi.
Hình 3.19. Các hiệu ứng của mực v độ cao tới tình thế nhiệt độ ngy
http://www.ebook.edu.vn
109
3-2 Những nguyên lý vật lý:
Nhiệt độ cân bằng của Trái Đất
Nếu nh Trái Đất không có khí
quyển, v do đó, không có hiệu ứng nh
kính, thì nhiệt độ trung bình của hnh
tinh sẽ lạnh hơn nhiều so với gì chúng ta
đang trải nghiệm. Sử dụng các nguyên lý
đã thảo luận, chúng ta có thể dễ dng ớc
lợng đợc độ lớn của hiệu ứng nh kính.
Để lm vậy, chúng ta sẽ tính nhiệt độ cân
bằng đối với một hnh tinh không có khí
quyển. So sánh các nhiệt độ tính toán v
quan trắc, chúng ta sẽ xác định đợc tầm
quan trọng của ảnh hởng khí quyển tới
nhiệt độ Trái Đất.
Trớc hết, ta chấp nhận hnh tinh
hoạt động nh một vật đen về phơng
diện bức xạ sóng di, albeđô hnh tinh l
30 % v hằng số Mặt Trời l 1367 W/m
2
.
Nếu nh Trái Đất l một đĩa phẳng
vuông góc với bức xạ tới, mỗi mét vuông
sẽ nhận đợc 1367 J/s. Nhng Trái Đất
không phải l đĩa phẳng; nó l một quả
cầu có diện tích bề mặt bốn lần lớn hơn
diện tích của một đĩa cùng bán kính. Vậy
cờng độ bức xạ lấy trung bình trên quả
cầu sẽ bằng một phần t của đĩa tởng
tợng. Do đó, mỗi mét vuông của Trái
Đất nhận đợc 1367/4 hay 341 W/m
2
. Vì
albeđô hnh tinh bằng 30 %, cho nên 70
% lợng bức xạ tới ny bị hấp thụ. Nói
cách khác, bức xạ hấp thụ tổng cộng l
1367 W/m2
223970250 ,,, =ìì
W/m
2
.
Hnh tinh phải lm mất đúng lợng
năng lợng m nó nhận đợc v cờng độ
bức xạ đối với một vật đen đợc xác định
bằng cách áp dụng định luật Stefan-
Boltzmann. Nhớ lại định luật Stefan-
Boltzmann đối với một vật đen
4
TI

= .
Tuy nhiên, chúng ta biết rằng cờng
độ bức xạ đối với hnh tinh không có khí
quyển phải bằng 239,2 W/m
2
. Vì vậy,
chúng ta biến đổi phơng trình để giải ra
T , chứ không phải I

/IT =
4
hay
250,
)/(

IT = .
Sử dụng các trị số
8
10675

ì= ,

W/(m
2
K
4
)
v
2239,=I W/m
2
, tính đợc nhiệt độ cân
bằng l 254,9 K. Vậy nhiệt độ trung bình
của Trái Đất sẽ thấp hơn nhiều nếu
không có khí quyển.
Lu ý rằng các tính toán của chúng
ta đã đơn giản hóa rất nhiều v có phần
nghi vấn. Chẳng hạn, chúng ta đã dùng
30 % lm albeđô hnh tinh, nhng trị số
đó đã tăng lên một phần do albeđô của
khí quyển m hnh tinh tởng tợng của
chúng ta không có. Vậy chúng ta có nên
dùng albeđô bề mặt ngy nay trong tính
toán không? Có lẽ, song albeđô bề mặt
trên Trái Đất thực lại l một phần kết
quả của nhiệt độ, chính cái m chúng ta
đang cố gắng tính! Một cách lý tởng,
chúng ta nên xem albeđô nh một biến số
cho phép nó thích ứng với những thay đổi
về nhiệt độ.
Chúng ta thấy rằng thậm chí một
câu hỏi ban đầu về hiệu ứng ton cầu của
các khí nh kính đã lm nảy sinh những
phiền toái không dễ gì xử lý bằng một mô
hình đơn giản. Vì vậy, không có gì ngạc
nhiên nếu các mô hình máy tính thực về
hnh vi của khí quyển l vô cùng phức
tạp, đòi hỏi những ti nguyên máy tính
khổng lồ. Tuy nhiên, các mô hình máy
tính đã trở thnh không thể thiếu đối với
công việc dự báo thời tiết hng ngy
(chơng 13) v chỉ ra cho chúng ta rất
nhiều về những gì chúng ta biết về các
thay đổi khí hậu tiềm năng do hoạt động
của con ngời (chơng 16).
Trong thời gian giữa ngy, vị trí A tơng ứng với sự hấp thụ bức xạ Mặt Trời
tại bề mặt v nóng lên khi bề mặt truyền năng lợng lên trên bằng đối lu v phát
xạ năng lợng sóng di. Vị trí B nằm khá xa bề mặt, thực tế không bị nóng lên. Vị
trí C mặc dù ở cùng độ cao nh B, nhng ở gần nguồn nung nóng nguyên thủy hơn

Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×