Tải bản đầy đủ

Thời tiết và khí hậu - Phần 1 Năng lượng và khối lượng - Chương 2 ppt

http://www.ebook.edu.vn
51
Chơng 2
Bức xạ Mặt Trời v Các mùa
Trong các ngy 5-9 tháng Giêng năm 1998, c dân của một bộ phận rộng lớn ở
miền đông nớc Mỹ v Canađa đã gặp một sự kiện ma ảnh hởng rất lớn tới đời
sống của họ. Không giống phần lớn những trận ma khác, những hạt ma rơi
xuống bị đông cứng ngay khi chạm tới bề mặt để tạo thnh một lớp băng phẳng,
trắng phủ dy liên tục. Băng trở nên dy tới mức lm cho cnh cây bị gẫy, tuyến
dây điện bị đứt sập v đờng xá không thể đi lại đợc. Ma đóng băng trải ra rất
rộng v hủy hoại khắp nơi, lm cho hng triệu dân ở New England, bang New York
v tỉnh Quebek của Canađa mất điện - trong hơn hai tuần ở một số nơi. Chỉ riêng ở
Quebek, 3 triệu ngời - 40 % dân c - bị mất điện vớc tính thiệt hại khoảng 1 tỉ
đô la. Một trong những ngời trong cuộc, ông Andre Champagne ở Montreal, mô tả
cảnh đó nh sau: Trời thật tối tăm, cứ nh tôi đang ở trên sao Hỏa vậy.
Bão kéo theo rất nhiều hậu quả - tất cả đều l những hậu quả xấu. ở miền
đông nam v các bang thuộc Trung Đại Tây Dơng, ma gây nên lũ lụt rất lớn, một
phần l do dòng chảy ma trực tiếp đổ vo các sông. Nớc ma thấm vo trong các
bồn tuyết nhanh chóng bị đông cứng cng lm căng thẳng thêm vấn đề lũ lụt. Bốn
bang phải kêu gọi trợ giúp của Cục Bảo vệ Quốc gia. Đn gia súc bất hạnh cũng bị
liên đới, bởi vì mất điện lm cho n

ông dân không thể cấp nớc uống cho đn bò của
mình v ngnh nông nghiệp thiệt hại hơn 1 triệu đô la. Hơn 30 ngời ở Mỹ v
Canađa bị chết vì trận bão.
Bão lạnh mùa đông của tháng Giêng năm 1998 l một sự trái ngợc rõ rệt so
với đợt bùng phát thời tiết cực đoan diễn ra ở miền bắc nớc Mỹ v miền nam
Canađa vo các ngy 30-31 tháng 5, khi gió lốc, ma đá v sét giết hại ít nhất 17
ngời. Những trận bão nh vậy, mặc dù có thể xảy ra bất kỳ thời gian no trong
năm, nhng thờng phổ biến nhất vo mùa xuân. Rồi sau đó l đợt sóng nhiệt mùa
hè của tháng 6 năm 1999, nó reo rắc sự thống khổ từ miền đông Canađa cho tới các
vùng đồng bằng phía nam v phần đông nam của nớc Mỹ. Hơn 250 ngời thiệt
mạng ở khắp nớc Mỹ trong thời kỳ hai tuần.
Nh các thí dụ ny cho thấy, nhiều loại thời tiết cực đoan có thể reo rắc tn
phá, song mỗi loại có vẻ nh xuất hiện nhiều hơn vo một thời gian cụ thể no đó
của năm. Thậm chí cha có thời tiết cực đoan thì đời sống của chúng ta đã đang bị
ảnh hởng nhiều bởi chu trình mùa xảy ra mỗi năm. Mặc dù những thay đổi các
mùa quan trọng đối với hoạt động hng ngy, nhiều ngời trong chúng ta cha thật
sự hiểu cái gì gây nên các mùa. Trong nhiều trờng hợp, chúng ta nghĩ sai lầm
http://www.ebook.edu.vn
52
rằng chúng ta biết nguyên nhân. Thí dụ, nhiều ngời tin rằng những thay đổi về
khoảng cách giữa Trái Đất v Mặt Trời chịu trách nhiệm về những thay đổi của các
mùa, rằng mùa hè diễn ra khi Trái Đất v Mặt Trời ở gần nhau nhất. Nhng Trái
Đất v Mặt Trời ở gần nhau nhất vo khoảng ngy 3 tháng Giêng - vo giữa mùa
đông ở Bắc bán cầu! Cũng nh vậy, Mặt Trời ở xa Trái Đất nhất vo ngy 3 tháng
7, thời gian m c dân Bắc bán cầu không liên quan với mùa đông, m với những
ngy di v nóng lực, với cuộc dã ngoại với thịt nớng ngoi trời v pháo hoa. Vậy ở
đây rõ rng l phải có một cách giải thích khác. Trong chơng ny, chúng tôi sẽ mô
tả chính xác quỹ đạo Trái Đất quanh Mặt Trời tạo ra các mùa của chúng ta ra sao.
Chúng tôi bắt đầu bằng một số điều cơ bản.
Năng l~ợng
Năng lợng theo truyền thống đợc định nghĩa l khả năng thực hiện công.
Định nghĩa ny không hon ton chính xác v nó lại lm nảy sinh những câu hỏi
(Công l gì?), song không thể lm gì khá hơn trong vi lời đợc. Thay vì lang thang
quá xa đi tìm một định nghĩa chính xác, chúng ta sẽ thừa nhận mọi ngời đều ít
nhất có một ý niệm mang máng về năng lợng nh một tác nhân có khả năng lm
cho một vật chuyển động, l
m nóng
một chiếc ấm đun nớc, hay nói cách khác, biểu
hiện chính mình trong các sự kiện hng ngy. Đơn vị chuẩn của năng lợng trong
Hệ Quốc tế (SI) dùng trong các ứng dụng khoa học l jun (ký hiệu bằng J). Mặc dù


các sinh viên có thể quen hơn với calo nh l đơn vị của năng lợng, nhng trong
ngữ cảnh ny thì jun hay hơn (1 J = 0,239 calo). Một thuật ngữ liên quan, công, l
tốc độ m năng lợng đợc giải phóng, truyền đi, hay đợc nhận. Đơn vị của công l
wat (W), nó tơng ứng với 1 J trong 1 giây.
Thậm chí một hoạt động đơn giản nhất đòi hỏi sự truyền năng lợng. Thật vậy,
trong khi bạn đang đọc những từ ny, thì sự truyền năng lợng đang diễn ra khi
năng lợng hóa học từ thức ăn m bạn đã ăn, đợc chuyển hóa thnh động năng
(năng lợng của chuyển động) cần thiết để di chuyển mắt bạn qua những dòng chữ.
Nhng cơ thể bạn, giống nh một chiếc máy bất kỳ khác, không hon ton hon
hảo, nó lm mất một số năng lợng nhiệt (nhiệt lợng) khi năng lợng hóa học đợc
chuyển hóa thnh động năng. Vậy các cơ của mắt bạn lm mất nhiệt khi chúng co
v giãn.
Khái niệm ny đợc áp dụng vo khí quyển
của chúng ta. Khoảng 2 phần tỉ
của năng lợng do Mặt Trời phát ra đợc truyền cho Trái Đất nh l bức xạ điện
từ, một phần trong số đó đợc hấp thụ trực tiếp bởi khí quyển v bề mặt. Bức xạ đó
cung cấp năng lợng cho chuyển động của khí quyển, sự lớn lên của thực vật, bay
hơi nớc v vô số những hoạt động khác.
Các loại năng l~ợng
Năng lợng có thể biểu hiện trong rất nhiều dạng. Chúng ta hay nói về năng
lợng bức xạ, năng lợng điện, năng lợng hạt nhân v năng lợng hóa học; nhng
một cách chính xác, tất cả các dạng của năng lợng thuộc về các phạm trù chung
động năng v thế năng. Điều ny đợc minh họa trên hình 2.1.
http://www.ebook.edu.vn
53
Động năng có thể xem nh năng lợng đợc sử dụng v thờng đợc mô tả nh
l năng lợng của chuyển động. Chuyển động có thể tồn tại ở quy mô lớn nh trong
chuyển động của vật từ nơi ny đến nơi khác. Những thí dụ xảy ra trong tự nhiên
bao gồm các hạt ma rơi (hình 2.2a), nớc chảy qua một con kênh v các hạt bụi
mang đi trong gió. Chuyển động của động năng cũng có thể diễn ra ở một quy mô
nhỏ nh trong trờng hợp rung động hoặc xoay của phân tử (đợc minh họa trên
hình 2.2b). Một vật rắn có thể tởng nh đứng yên, nhng các phân tử của nó đang
thực hiện một số rung động.
Hình 2.1. Năng l~ợng có một số dạng khác nhau, song mỗi dạng lại thuộc vo loại động năng
(năng l~ợng của chuyển động) hoặc thế năng
Ngợc lại, các phân tử chất khí v chất lỏng không cố định trong không gian,
m di chuyển qua lại một cách ngẫu nhiên (hình 2.3). Trong các chất rắn, chất lỏng
hoặc chất khí, tốc độ rung động hoặc chuyển động ngẫu nhiên quyết định nhiệt độ
của vật.
http://www.ebook.edu.vn
54
Nếu động năng l năng lợng đợc sử dụng, thì thế năng l năng lợng còn
cha đợc sử dụng. Thế năng có thể có nhiều dạng. Thí dụ, cacbohyđrat của một
thực vật có thế năng có thể đợc tiêu thụ bởi các động vật (hoặc bởi chính thực vật)
v sau đó đợc đồng hóa để thu năng lợng cần thiết cho tất cả hoạt động sinh học
của nó. Khi cơ thể chúng ta đồng hóa thức ăn l chúng ta đang sử dụng thế năng
đó, chuyển hóa nó thnh động năng v giải phóng nhiệt lợng nh một phụ phẩm.
Hình 2.2. Động năng có thể xuất hiện khi chuyển động liên quan với các
vật chuyển động, nh~ hạt m~a rơi trong (a) hoặc sự rung v xoay của phân
tử n~ớc (b). Tốc độ rung hoặc xoay cng lớn thì nhiệt độ của vật cng cao
Hình 2.3. Các phân tử khí không gắn bó
với nhau nh~ các phân tử chất rắn v
lỏng v di chuyển một cách ngẫu nhiên
Một dạng khác của thế năng sinh ra từ
vị trí của vật. Thí dụ, xét một hạt mây
đang chiếm một vị trí no đó bên trên bề
mặt Trái Đất. Giống nh tất cả các vật
khác, hạt mây chịu tác động của trọng lực.
Khi rơi xuống phía mặt đất, thế năng của
nó đợc chuyển thnh động năng. Rõ rng,
mực của hạt ma cng cao, khoảng cách có
thể rơi cng lớn v thế năng của nó cng
lớn. Điều rất quan trọng l phải thấy rằng
hạt ma không đi lên đợc độ cao của nó
bằng sức mạnh siêu nhiên, bởi vì một năng
lợng đã đợc sử dụng để nâng khối lợng
của nó lên vị trí ban đầu.
Những cơ chế truyền năng l~ợng
Truyền dẫn. Năng lợng có thể đợc truyền từ một nơi đến nơi khác bằng ba
quá trình: truyền dẫn, đối lu v phát xạ. Truyền dẫn l sự di chuyển nhiệt lợng
qua một vật không có sự di chuyển của các phân tử trong hớng truyền nhiệt. Một
thí dụ đơn giản nhất l thanh kim loại với một đầu đợc đặt bên trên lò lửa. Phần
http://www.ebook.edu.vn
55
thanh kim loại bên trên ngọn lửa đợc nung nóng v các phân tử ở đó nhận năng
lợng. Một phần năng lợng đó truyền cho các phân tử láng giềng, những phân tử
ny về phần mình lại truyền nhiệt lợng cho các phân tử bên cạnh. (Cơ chế chính
xác của truyền phân tử tùy thuộc vo chất - trong các kim loại nó chủ yếu đợc
thực hiện bởi các điện tử.) Quá trình ny diễn ra ở khắp chiều di của thanh, cho
nên sau một thời gian ngắn ton bộ thanh kim loại trở nên rất nóng. Sự truyền
nhiệt từ phần nóng hơn tới phần lạnh hơn của thanh l truyền dẫn. Lu ý rằng
mặc dù nhiệt đi qua thanh kim loại, nhng các phân tử của thanh kim loại không
di chuyển. Sự truyền dẫn hiệu quả nhất trong các vật liệu rắn, nhng nh sẽ thấy ở
chơng 3, nó cũng l một quá trình quan trọng trong một lớp không khí rất mỏng
gần bề mặt Trái Đất.
Đối lu. Truyền nhiệt bằng sự xáo trộn của chất lỏng gọi l đối lu. Khác với
truyền dẫn, đối lu đợc thực hiện bởi sự di dời (chuyển động) của môi trờng. Bạn
có thể quan sát quá trình ny bằng cách nhìn một bình nớc sôi trên bếp lò. Nớc ở
đáy bình nằm gần nguồn năng lợng nhất nên bị nóng lên nhanh nhất. Khi nóng
lên nớc nở ra, trở nên kém đậm đặc hơn v nổi lên bề mặt. Nớc nổi lên dĩ nhiên
phải đợc thay thế bởi nớc từ phía trên, cho nên nớc ban đầu ở bề mặt chìm
xuống đáy bình. Những chuyển động nổi lên v chìm xuống ny gây nên sự di
chuyển nhanh không chỉ của khối lợng m cả năng lợng nhiệt chứa trong n
ớc
chu chuyển.
Đối lu trong khí quyển không khác nhiều với đối lu ở trong một bình nớc
sôi. Trong thời gian ban ngy, sự nung nóng của bề mặt Trái Đất lm nóng một lớp
không khí rất mỏng (độ dy cỡ 1 mm) tiếp xúc với bề mặt. Bên trên lớp phân tầng
mỏng ny, không khí bị lm nóng từ phía dới nở ra v nổi lên phía trên nhờ độ
nổi vốn có của không khí nóng (xu thế của một vật lỏng nhẹ (chất lỏng hay chất
khí) nổi lên trên khi bị bao quanh bởi một chất lỏng nặng hơn). Khác với nớc trong
một chiếc bình, khí quyển có thể thực hiện đối lu ngay cả khi không có độ nổi
thông qua một quá trình đợc gọi l đối lou coỡng bức, sự xáo trộn thẳng đứng diễn
ra khi gió thổi. Những quá trình ny đợc thảo luận chi tiết hơn ở chơng 3.
Bức xạ. Trong số ba cơ chế truyền năng lợng thì bức xạ l một cơ chế duy
nhất có thể phát triển không cần một môi trờng truyền. Nói cách khác, không
giống với truyền dẫn v đối lu, truyền năng lợng bằng bức xạ có thể xảy ra qua
không gian rỗng. Thực tế tất cả năng lợng có trên Trái Đất bắt nguồn từ ngôi sao
lân cận (theo ngôn từ thiên văn học) m chúng ta gọi l Mặt Trời, một thnh viên
của Ngân H (hình 2.4). Khí quyển còn có những nguồn năng lợng khác: những
lợng bức xạ nhỏ bé nhận đợc từ hng tỉ ngôi sao khác trong vũ trụ v một ít năng
lợng đạt tới bề mặt từ trong lòng Trái Đất. Tuy nhiên, sự đóng góp của những
nguồn đó vô cùng nhỏ bé so với năn
g l

ợng nhận đợc từ Mặt Trời.
Bây giờ chúng ta xem xét các đặc điểm của bức xạ v cái cách m sự định
hớng của Trái Đất ảnh hởng tới bức xạ nhận đợc. Những biến thiên theo không
gian v theo mùa trong quá trình thu nhận năng lợng Mặt Trời không chỉ l
những gì trừu tợng đơn thuần, m l lực điều khiển của thực tế tất cả các quá
http://www.ebook.edu.vn
56
trình đợc xét ở phần còn lại của cuốn sách ny.
Bức xạ
Bức xạ đợc phát ra bởi tất cả các vật. Vậy mọi thứ - kể cả các vì sao, Trái Đất,
bản thân chúng ta v cuốn sách ny - đang không ngừng phát ra năng lợng điện
từ. Tất cả chúng ta đều quen thuộc với năng lợng điện từ dới nhiều hình thức của
nó. Chúng ta nhìn thấy môi trờng xung quanh nhờ một kiểu bức xạ nhất định m
chúng ta gọi l những va chạm ánh sáng nhìn thấy lên mắt mình, sau đó nó gửi các
tín hiệu tới thần kinh để tạo ra các ảnh thấy đợc. Một kiểu năng lợng điện từ
khác đợc dùng khi chúng ta lm nóng bữa ăn trong một lò vi sóng; bức xạ kích
thích rung các phân tử của thức ăn v do đó lm tăng nhiệt độ của nó. Những kiểu
bức xạ khác có thể ít ích lợi hơn hay thậm chí có hại, nh bức xạ cực tím, nó có thể
dẫn tới bỏng da, các loại bệnh v thậm chí cái chết. Mặc dù các kiểu bức xạ khác
nhau có những tác động khác nhau, tất cả rất giống nhau ở chỗ chúng đợc truyền
đi nh một loạt các sóng.
Hình 2.4. Hệ Mặt Trời l một bộ phận của Ngân H, một thiên h điển hình chứa hơn
100 tỉ ngôi sao. (a) Bức vẽ nghệ thuật. (b) ảnh hồng ngoại góc rộng về dải Ngân H
Hãy so sánh với sóng do một hòn đá ném vo bể nớc tạo ra. Sóng đợc thể
hiện bằng một dao động ở bề mặt nớc với những đỉnh (các điểm cao trên mặt dậy
sóng) v chân (các điểm thấp). Khi bạn quan sát sự nâng lên v hạ xuống đều đặn
của bề mặt lúc sóng đi qua, bạn biết năng lợng đang đợc truyền đi. Trong trờng
hợp với bức xạ, các sóng l những dao động điện v từ. Có nghĩa bức xạ bao gồm
một sóng điện v một sóng từ. Bằng những thiết bị phù hợp, chúng ta có thể phát
hiện những biến thiên điện v từ ấy - từ đó m có thuật ngữ bức xạ điện từ. Khi
một vật phát ra bức xạ, cả điện trờng v từ trờng đợc phát ra ngoi. Tại một
điểm cố định trong không gian, cờng độ của cả hai trờng tăng v giảm một cách
nhịp nhng, do đó tạo thnh các sóng điện v từ, mỗi sóng có hình dạng đỉnh tới
chân của riêng mình. Các sóng điện v từ vuông góc với nhau, nh biểu diễn trên
http://www.ebook.edu.vn
57
hình 2.5. Điều quan trọng hơn l các hợp phần điện v từ luôn sóng đôi với nhau -
cả hai tăng v giảm một cách hòa hợp.
L~ợng v chất của bức xạ
Để mô tả bức xạ điện từ một cách đầy đủ, chúng tôi cần cung cấp một số thông
tin về lợng năng lợng truyền đi (số lợng) v kiểu, hay chất lợng của năng
lợng. Điều ny tơng tự nh khi mô tả trọng lợng của ai đó, chúng ta có thể nói
ra số lợng thnh cân v chỉ ra chất lợng nếu dùng các từ nh rất nhẽo. Trong
trờng hợp bức xạ, lợng liên quan với độ cao của sóng, hay biên độ của nó. Nếu
mọi thứ khác nh nhau, lợng năng lợng mang đi trực tiếp tỷ lệ với biên độ sóng.
Hình 2.5. Bức xạ điện từ gồm một sóng điện (E)
v một sóng từ (M). Khi bức xạ truyền đi, các
sóng di chuyển trong h~ớng biểu diễn bằng
mũi tên di (gạch nối). Các sóng ở (a) v (b) có
cùng biên độ nên c~ờng độ bức xạ nh~ nhau.
Tuy nhiên, (a) có b~ớc sóng ngắn hơn, nên nó
khác về chất so với (b). Tùy thuộc vo các b~ớc
sóng chính xác đ~ợc xét, bức xạ ở (a) có thể đi
qua khí quyển, trong khi ở (b) có thể bị hấp thụ
Lợng hay kiểu của bức xạ liên quan tới một tính chất khác của sóng -
khoảng cách giữa các đỉnh sóng. Hình 2.5 biểu diễn các sóng điện từ di chuyển
trong cùng một hớng. Tất cả có cùng một biên độ, nhng khoảng cách giữa các
đỉnh sóng riêng rẽ l nhỏ hơn đối với sóng đợc vẽ ở bên trên. Do đó, sóng bên trên
có bớc sóng ngắn hơn, bớc sóng l khoảng cách giữa hai điểm tơng ứng bất kỳ
(đỉnh đến đỉnh, chân đến chân, v.v ). Vì bớc sóng của nó ngắn hơn, sóng ở hình
2.5a khác về chất v có thể tạo ra một số hiệu ứng so với sóng ở hình 2.5b. Thí dụ,
bức xạ tia X có một bớc sóng cực ngắn v nó có thể xuyên qua các mô tế bo mềm.
Ngợc lại, ánh sáng bình thờng có một bớc sóng di hơn, thì bị hấp thụ bởi da. So
sánh với những vật thể thờng ngy, thì bức xạ m chúng ta quan tâm ở đây có
những bớc sóng rất nhỏ. Vì vậy, để cho tiện lợi, ngời ta xác định các bớc sóng
bằng những đơn vị đo rất nhỏ gọi l micrômét (hoặc micrôn) 1 micrômét - ký hiệu
l
m

- bằng một phần triệu của 1 mét hay một phần nghìn của 1 mm.
Tất cả các dạng của bức xạ điện từ, bất chấp bớc sóng, di chuyển đi trong
không gian với tốc độ của ánh sáng, bằng khoảng 300
000 km/s. Với tốc độ ny, cần
8 phút để năng lợng từ Mặt Trời đạt tới Trái Đất. Năng lợng nhận đợc từ những
vì sao khác, xa cách hơn, cần thời gian lâu hơn để tới đợc Trái Đất. Thí dụ, bức xạ
http://www.ebook.edu.vn
58
từ vì sao gần nhất tiếp theo, sao Proxima Centauri, phải du ngoạn trong không
gian 4,3 năm trớc khi tới đợc với chúng ta. Mặc dù có vẻ nh đó l một quãng
thời gian di, song cũng chỉ l rất nhỏ bé so với những tỉ năm cần thiết để ánh sáng
từ một ngôi sao xa đến đợc với Trái Đất.
Năng lợng điện từ có vô vn các bớc sóng, nhng chúng ta có thể lm đơn
giản hóa vấn đề bằng cách phân loại các bớc sóng thnh một số băng riêng rẽ nh
trên hình 2.6 v bảng 2.1. Băng với các bớc sóng ngắn nhất gồm các tia Gama với
bớc sóng cực đại bằng 0,0001
m

. Các băng bớc sóng di hơn, liền sau bao gồm
các tia X, tia cực tím (UV), ánh sáng nhìn thấy, ánh sáng cận hồng ngoại (NR),
hồng ngoại nhiệt (IR), vi sóng v các sóng vô tuyến. Lu ý rằng không có gì l độc
đáo hay đặc biệt về phần nhìn thấy của phổ điện từ ny ngoi một thực tế l mắt v
hệ thần kinh của chúng ta đã tiến hóa để có thể cảm nhận đợc loại năng lợng
ny. Ngoại trừ các bớc sóng của mình, những tia nhìn thấy cũng giống nh một
dạng bất kỳ khác của năng lợng điện từ.
Hình 2.6. Năng l~ợng điện từ có thể phân loại theo b~ớc sóng
C~ờng độ v b~ớc sóng của bức xạ
Tất cả các vật phát ra năng lợng, không chỉ tại một bớc sóng đơn m trên
một khoảng rộng các bớc sóng khác nhau. Hình 2.7a vẽ cờng độ của bức xạ đợc
phát ra tại tất cả các bớc sóng trong mỗi giây bởi một mét vuông bề mặt của Mặt
Trời (trên) v của Trái Đất (dới). Chúng ta có thể dễ dng thấy rằng một đơn vị
http://www.ebook.edu.vn
59
diện tích trên Mặt Trời phát ra bức xạ lớn hơn nhiều (khoảng 160
000 lần) so với
cùng diện tích ấy trên Trái Đất (chú ý rằng đờng cong biểu diễn phát xạ Trái Đất
đã đợc phóng đại thực sự rất nhiều - nếu nh vẽ với tỉ lệ thực, thì nó quá bé không
nhìn thấy). Hình dáng của đờng cong biểu diễn cờng độ của năng lợng do Trái
Đất phát ra tại những bớc sóng khác nhau (hình 2.7b) tơng tự nh của Mặt Trời,
nhng tổng năng lợng đợc giải phóng nhỏ hơn nhiều, còn đỉnh của đờng cong
tơng ứng với một bớc sóng di hơn.
Bảng 2.1. Các cấp b~ớc sóng
Kiểu năng loợng
Boớc sóng
m)(

Gama <0,0001
Tia X 0,0001 đến 0,01
Cực tím 0,01 đến 0,4
Nhìn thấy 0,4 đến 0,7
Cận hồng ngoại 0,7 đến 4,0
Hồng ngoại nhiệt 4,0 đến 100
Vi sóng 100 đến 1 000 000 (1 m)
Vô tuyến >1 000 000 (1 m)
Hình 2.7. Năng l~ợng phát ra của các
chất có dải b~ớc sóng rộng. Do nhiệt
độ cao hơn, phát xạ từ một đơn vị diện
tích Mặt Trời (a) 160000 lần mạnh hơn
phát xạ của cùng diện tích trên Trái Đất
(b). Bức xạ của Mặt Trời cấu tạo từ các
b~ớc sóng ngắn hơn của Trái Đất
Dĩ nhiên, lợng bức xạ phát ra v các bớc sóng không phải l kết quả của sự
ngẫu nhiên đơn thuần; các đặc trng đó tuân theo một số định luật vật lý cơ bản.
Nói một cách chính xác, các định luật đó chỉ áp dụng cho những vật phát xạ lý
http://www.ebook.edu.vn
60
tởng, gọi l các
vật đen. Các vật đen l những vật thuần túy giả thuyết - chúng
không tồn tại tự nhiên - chúng phát bức xạ cực đại có thể tại từng bớc sóng. Trái
Đất v Mặt Trời gần giống các vật đen v do đó, gần tuân theo các định luật sắp
đợc mô tả dới đây. Những vật liệu khác có thể hoặc không thể l các vật đen xấp
xỉ. Cụ thể, khí quyển, cấu tạo từ các khí, đặc biệt khác xa với một vật đen, nên
chúng ta sẽ không xem nó nh một vật đen.
2-1 Những nguyên lý vật lý:
Ba thang nhiệt độ
Tất cả chúng ta quen thuộc với các
thang nhiệt độ Fahrenheit v Celsius
(hay bách phân). Tuy rất có ích trong ứng
dụng hng ngy, song cả hai thang ny
có một nhợc điểm nghiêm trọng - chúng
cho phép các giá trị âm. Các đơn vị đo
khác thì không nh vậy. Thí dụ, những
tòa nh không có độ cao v trọng lợng
âm, chiếc xe không chạy với tốc độ âm v
trẻ em không có tuổi âm. Nhng sự tồn
tại các nhiệt độ âm gây ấn tợng rằng các
chất có thể có hm lợng nhiệt âm - một
tình huống không thể có về phơng diện
vật lý. Để khắc phục vấn đề ny, các nh
khoa học sử dụng một thang khác để đo
nhiệt độ, gọi l thang Kelvin. Trong hệ
thống ny, nhiệt độ 0 K l nhiệt độ thấp
nhất có thể, nó có thể tồn tại trong vũ trụ
(thậm chí ở Wisconsin!). (Lu ý rằng
chúng ta bỏ đi ký hiệu độ với thang ny
v trực tiếp đọc số kelvin, *K). Một nhiệt
độ 0 K hm ý rằng không không có
chuyển động rung phân tử v do đó,
không thể có các nhiệt độ dới không tồn
tại với thang ny.
Fahrenheit v Celsius
Một thời gian, thang nhiệt độ đợc
dùng trên ton thế giới l thang
Fahrenheit. Đợc Gabriel Fahrenheit
phát minh vo đầu những năm 1700,
thang ny gán các trị số 32
o
v 212
o
cho
điểm đóng băng v điểm sôi của nớc. Có
180 độ Fahrenheit giữa sự đóng băng v
sự sôi của nớc.
Mặc dù thang Fahrenheit đã bị bỏ ở
Canađa v hầu khắp các nớc khác trên
thế giới, nhng ở Mỹ nó vẫn l thang
đợc dùng rộng rãi.
Thang đo nhiệt độ quen thuộc khác
l thang Celssius, gọi theo tên của ngời
sáng lập, Anders Celsius, vo năm 1742.
Thang Celsius gán các trị số 0
o
v 100
o
cho điểm đóng băng v điểm sôi của nớc,
cho nên chỉ có 100 độ Celsius giữa hai
điểm. Điều đó có nghĩa rằng một độ
Celsius lớn hơn một độ Fahrenheit. Thí
dụ, thay đổi 2
o
C lớn hơn thay đổi 2
o
F.
Tuy nhiên, điều đó không có nghĩa nói
một nhiệt độ biểu diễn bằng
o
C luôn cao
hơn so với cùng nhiệt độ đó biểu diễn
bằng
o
F; nó có thể cao hơn hoặc thấp hơn.
Để chuyển đổi từ
o
C sang
o
F, chúng ta
dùng công thức sau:
)C(/F 3259 +=
oo
.
Để chuyển đổi từ
o
F sang
o
C, ta dùng
)F(/C 3295 =
oo
.
Hình 1. Các thang nhiệt độ Kelvin, Celsius v
Fahrenheit
http://www.ebook.edu.vn
61
Bạn có thể sử dụng những công thức
ny để kiểm tra thấy
CF
oo
4040 =
.
Kelvin
Thang Kelvin thực ra l cải biên của
thang Celsius để cho các gia số của cả hai
bằng nhau. Vậy nếu nhiệt độ tăng lên 1
o
C, thì nó cũng tăng lên 1 K. Khác biệt
duy nhất giữa hai thang l điểm bắt đầu;
0 K sẽ tơng ứng với
C,
o
16273 . Vì vậy,
chuyển đổi từ
o
C sang K rất đơn giản:
16,273CK +=
o
.
Để chuyển đổi từ K sang
o
C, chúng
ta dùng
16,273KC =
o
.
Hình 1 biểu diễn các thang Kelvin,
Celsius v Fahrenheit.
Định luật Stefan-Boltzmann. Nhân tố duy nhất quyết định một vật đen
phát ra bao nhiêu năng lợng l nhiệt độ của nó. Các vật nóng hơn phát ra nhiều
năng lợng hơn so với các vật lạnh hơn; do đó, không ngạc nhiên nếu một miếng sắt
nóng phát nhiều năng lợng hơn một cục băng. Tuy nhiên, điều rất thú vị l lợng
bức xạ do một vật phát ra không hẳn tỉ lệ với nhiệt độ của nó. Nói cách khác, nhiệt
độ tăng gấp đôi thì tạo ra lợng bức xạ phát tăng hơn hai lần. Cụ thể l cờng độ
năng lợng do một vật đen phát tăng lên theo lũy thừa bậc bốn của nhiệt độ tuyệt
đối của nó. Quan hệ ny gọi l định luật Stefan-Boltzmann đối với vật đen, đợc
biểu diễn nh sau:
4
TI

= ,
ở đây
I
chỉ cờng độ bức xạ bằng W/m
2
,

l hằng số Stefan-Boltzmann (
8
10675

,
W/(m
2
.K
4
)) v
T
l nhiệt độ của vật bằng K (xem chuyên mục 2-1: Những nguyên lý
vật lý: Ba thang nhiệt độ
).
Vì cờng độ bức xạ phụ thuộc vo nhiệt độ nâng lên lũy thừa bậc bốn, nên
nhiệt độ tăng gấp đôi sẽ dẫn tới tăng 16 lần lợng phát xạ. Nếu giải phơng trình
Stefan-Boltzmann sử dụng nhiệt độ trung bình của bề mặt Trái Đất (khoảng 290
K, 15
o
C hay 59
o
F) thấy rằng một m
2
phát xạ khoảng 401 W năng lợng. Ngợc lại,
bề mặt Mặt Trời với nhiệt độ khoảng 6000 K (5700
o
C hay 10300
o
F) phát xạ
khoảng 73 triệu W/m
2
.
Tuy các vật đen thực sự không tồn tại tự nhiên, chúng cung cấp một mô hình
hữu ích để hiểu lợng bức xạ cực đại có thể đợc phát xạ. Phần lớn các chất lỏng v
chất rắn có thể xem nh các
vật xám, nghĩa l chúng phát xạ bằng một số phần
trăm của lợng bức xạ cực đại có thể tại một nhiệt độ đang xét. Trong khi một số
chất (thí dụ nớc) có hiệu suất phát năng lợng cao, thì một số khác (thí dụ nhôm)
kém hiệu xuất hơn. Phần năng lợng phát xạ bởi một chất so sánh với phát xạ của
một vật đen đợc gọi l
suất phát xạ của nó. Các suất phát xạ biến thiên từ lớn
hơn 0 một chút tới gần bằng 100 % v đợc ký hiệu l

. Bằng cách khái quát suất
phát xạ của vật bất kỳ, chúng ta rút ra định luật Stefan-Boltzmann đầy đủ:
4
TI

= .
Đa ra nhân tử suất phát xạ có nghĩa rằng năng lợng điện từ do vật xám no
đó phát ra sẽ bằng một phần của năng lợng m vật đen phát. Chú ý rằng thậm chí
nh vậy dạng vật xám của định luật Stefan-Boltzmann cho thấy cờng độ bức xạ l
http://www.ebook.edu.vn
62
một hm của suất phát xạ v nhiệt độ, phần lớn các bề mặt tự nhiên có suất phát
xạ lớn hơn 0,9. Do đó, trong phần lớn trờng hợp những khác biệt về phát xạ l do
những khác biệt nhiệt độ quyết định. Khí quyển l một ngoại lệ đối với quy tắc ny,
bởi vì sự phát xạ phụ thuộc vo một số nhân tố, nh lợng hơi nớc trong không
khí. Ngoi ra, đối với một chất khí, có sự biến thiên rất lớn về phát xạ theo bớc
sóng (xem chuyên mục
2-2: Những nguyên lý vật lý: Bản chất của bức xạ, hấp thụ
vu phát xạ
); do đó, sẽ l không đúng nếu xem phát xạ khí quyển nh l phát xạ vật
đen suy giảm. Nói cách khác, khái niệm suất phát xạ mất ý nghĩa khi áp dụng vo
khí quyển. Tuy nhiên, điểm quan trọng l khí quyển chắc chắn không phải l vật
phát bức xạ lý tởng v do đó, nó phát bức xạ tại nhiệt độ cụ thể no đó ít hơn so
với một vật đen.
2-2 Những nguyên lý vật lý:
Bản chất của bức xạ, hấp thụ v phát xạ
Chúng ta thờng mô tả năng lợng
điện từ truyền trong không gian nh một
chuỗi sóng, nhng trong những ngữ cảnh
no đó, nó diễn biến nh một chùm hạt.
Bản chất hạt của bức xạ áp dụng tại quy
mô quan sát nhỏ nhất, vi mô, khi ánh
sáng nhìn thấy đợc phát ra bởi một
nguyên tử hay phân tử đơn lẻ. Khi ánh
sáng đợc phát ra, có một thay đổi về
những đặc trng quỹ đạo của các điện tử
trong vật phát. Khi quỹ đạo thay đổi, một
chùm nhỏ năng lợng, gọi l một phôtôn
đợc giải phóng.
Sử dụng thí dụ đơn giản, hãy tởng
tợng một nguyên tử hyđrô (với một
prôtôn v một điện tử quay đơn độc).
Điện tử không tự do để chấp nhận ngay
một khoảng cách quỹ đạo no đó kể từ
nhân. Ngợc lại, nó tiếp tục giữ cố định
những khoảng cách quỹ đạo, gọi l
các vỏ
(shells). Mỗi vỏ liên quan với một mức
năng lợng cho trớc; khoảng cách từ
nhân cng xa, thì mức năng lợng cng
lớn. Nh đã biểu diễn trên hình 1, khi
nguyên tử hyđrô hấp thụ đủ năng lợng,
nó có thể trở thnh bị kích thích v điện
tử của nó nhảy từ trạng thái nền đến
một vỏ cao hơn. Một cách tơng tự, nếu
điện tử nhảy trở lại mức năng lợng trớc
đây của mình, thì nó đánh mất năng
lợng dới dạng một phôtôn. Bởi vì chỉ có
ít vỏ gián đoạn tồn tại, nên chỉ có những
thay đổi năng lợng nhất định l có thể.
Điều ny có nghĩa rằng, một phôtôn do
nguyên tử phát ra có thể chỉ chứa những
lợng năng lợng gián đoạn nhất định,
tơng ứng với lợng suy giảm năng lợng
của nguyên tử.
Một cách tơng tự, một nguyên tử bị
giới hạn ở những phôtôn m nó có thể
hấp thụ, cụ thể l những phôtôn no với
những năng lợng đẩy đợc nguyên tử tới
một trạng thái cho phép. Năng lợng của
một phôtôn chỉ phụ thuộc vo bớc sóng
của nó: những phôtôn ở các bớc sóng
ngắn hơn có nhiều năng lợng hơn những
phôtôn ở bớc sóng di hơn. Do đó, nếu
bạn biết bớc sóng của một phôtôn, bạn
có thể biết năng l
ợn
g của nó v bạn có
thể biết nguyên tử có thể phát ra hay hấp
thụ phôtôn đó. Đây l một cách giải thích
buồn tẻ rằng nguyên tử sẽ hấp thụ v
phát ra bức xạ chỉ tại những bớc sóng
nhất định, hay một cách tơng đong,
rằng phát xạ v hấp thụ cần phải có tính
chọn lọc.
Dĩ nhiên, khí quyển của chúng ta
không tạo thnh từ những nguyên tử
hyđrô đơn lẻ, nó chủ yếu cấu tạo từ các
phân tử của những chất khí. Đối với
những chất khí đó, các thay đổi về mức
năng lợng sẽ phức tạp hơn so với của các
http://www.ebook.edu.vn
63
nguyên tử hyđrô, nhng thực tế
vẫn giữ nguyên l phát xạ v hấp
thụ kéo theo sự giảm hoặc tăng
mức năng lợng vì phôtôn đợc
giải phóng hoặc hấp thụ.
Hơn nữa, phát xạ v hấp thụ
lại bị giới hạn bởi chính những
bớc sóng no lm cho phân tử di
chuyển tới một trạng thái năng
lợng đợc cho phép. Tức l các
chất khí khí quyển, giống nh
hyđrô, l những vật hấp thụ v
phát xạ chọn lọc. Điều ny không
đúng đối với các chất lỏng v chất
rắn, chúng có xu hớng phát xạ
v hấp thụ ở một dải bớc sóng
rộng.
Một hệ quả rất quan trọng
của tất cả những điều ny l: khí
quyển v bề mặt thích ứng một
cách khác nhau đối với bức xạ với
các bớc sóng khác nhau. Nh sẽ
thấy say ny, những nguyên lý cơ
bản ny sẽ giải thích khí hậu v
biến đổi khí hậu của Trái Đất.
Hình 1. Các điện tử quay quanh nhân của các nguyên tử
trong những vùng định trớc gọi l các vỏ. Hình ny vẽ
một điện tử đơn quay quanh nhân một nguyên tử hyđrô.
Khi nhận năng lợng, điện tử ở trong một trạng thái kích
thích v nhảy tới vỏ tiếp theo. Khi điện tử trở về trạng
thái nền của mình, nó giải phóng năng lợng dới dạng
một phôtôn. Chú ý rằng năng lợng phát ra bởi những
nguyên tử nh thế phải xuất hiện thnh các chùm gián
đoạn; ở quy mô nguyên tử, các đơn vị năng lợng đợc chia
ra thnh những gói riêng
Định luật Wien. Nh chúng ta thấy ở hình 2.7, bức xạ do Mặt Trời v Trái
Đất phát (hay vật bất kỳ khác) không phải l một bớc sóng đơn lẻ, v không phải
tất cả các bớc sóng phát với số lợng bằng nhau. Trong trờng hợp với Mặt Trời,
bớc sóng phát nhiều nhất l 0,5 m

, trong khi năng lợng phát bởi Trái Đất có
đỉnh ở gần 10
m

. Đối với vật phát bất kỳ, bớc sóng đỉnh (bằng
m

) đợc xác
định bằng định luật Wien:
T
hằngsố
max
=

,
trong đó
max

quy chiếu tới bớc sóng của năng lợng phát cờng độ lớn nhất. Đặc
biệt hơn l hằng số trong phơng trình trên đây lm tròn tới giá trị 2900 đối với
T
tính bằng độ K v
max

bằng m

. Vậy chúng ta có thể xác định bớc sóng đỉnh của
bức xạ phát nh sau:
T/
max
2900=

.
Định luật Wien nói rằng những vật nóng hơn phát năng lợng tại các bớc
sóng ngắn hơn so với những vật lạnh. Điều ny không bất ngờ, nếu nhớ rằng các
bớc sóng ngắn hơn tơng ứng với những năng lợng cao hơn. Các vật nóng có
nhiệt năng lớn hơn, phải phát ra một phần năng lợng cao hơn tại các bớc sóng
http://www.ebook.edu.vn
64
no ngắn hơn, mang năng lợng hơn. Thí dụ, bức xạ Mặt Trời mạnh nhất ở phần
nhìn thấy của phổ, mặc dù nó phát xạ trong một dải rộng các bớc sóng. Phần lớn
bức xạ có bớc sóng nhỏ hơn 4 m

m chúng ta thờng gọi l bức xạ sóng ngắn.
Trong số bức xạ do Mặt Trời phát, có khoảng 46,5 % l cận hồng ngoại v nhiệt
hồng ngoại, 46,8 % l ánh sáng nhìn thấy v 6,7 % l cực tím.
Bức xạ xuất phát từ bề mặt Trái Đất v khí quyển chủ yếu gồm các bớc sóng
di hơn 4 m

. Loại năng lợng điện từ ny đợc gọi l bức xạ sóng di.
Nh thể hiện trên hình 2.7, các vật nóng hơn phát xạ nhiều năng lợng hơn
các vật lạnh tại tất cả các boớc sóng. Thí dụ, Mặt Trời phát năng lợng với bớc
sóng khoảng 0,5
m

hiệu quả nhất v giảm đi rất nhiều tại m


10= . Tuy nhiên,
tại những bớc sóng đó, Mặt Trời phát bức xạ nhiều hơn so với Trái Đất, mặc dù
thực tế l Trái Đất không phát bức xạ nhìn thấy m chỉ bức xạ sóng di (xem
chuyên mục 2-3: Những nguyên lý vật lý: Mặt Trời).
Hình 2.8. ảnh vệ tinh mu của Bắc Mỹ. Các độ cao đỉnh mây
đ~ợc suy ra nhờ ứng dụng các định luật bức xạ
Định luật Stefan-Boltzmann v định luật Wien có một số ứng dụng rất hữu ích
v lý thú. Bạn chắc chắn đã thấy những bức ảnh vệ tinh mu biểu diễn phân bố
mây trên Bắc Mỹ kiểu nh bản đồ ở hình 2.8. Loại ảnh ny thể hiện độ cao đỉnh
mây có thể đợc dùng lm chỉ thị về cờng độ giáng thủy xảy ra ở phía dới. Những
ảnh ny nhận đợc bằng cách đo cờng độ của bức xạ hồng ngoại do đỉnh mây phát.
Các bề mặt lạnh hơn phát xạ năng lợng kém mạnh hơn so với các vật nóng. Các vệ
tinh thời tiết đo cờng độ bức xạ để xác định nhiệt độ đỉnh mây trên một khu vực
mục tiêu. Bởi vì mây cao hơn có xu hớng lạnh hơn mây mực thấp (hãy nhớ lại rằng
http://www.ebook.edu.vn
65
trong đối lu quyển nhiệt độ có xu hớng giảm theo độ cao), các nhiệt độ có thể
đợc sử dụng để suy ra độ cao đỉnh mây v do đó, độ dy tơng đối của mây. Về
phía mình, mây cng dy thì thờng đẫn tới giáng thủy mạnh hơn.
ảnh hồng ngoại
có thể thu vo ban đêm cũng nh ban ngy, bởi vì nó dựa trên năng lợng phát xạ
từ đỉnh mây chứ không phải ánh sáng phản xạ.
2-3 Những nguyên lý vật lý:
Mặt Trời
Mặt Trời có vẻ đặc biệt đối với chúng
ta, nhng nếu so với 100 tỉ hoặc hơn
những vì sao khác trong thiên h của
chúng ta, thì nó không phải l cái gì đặc
biệt độc đáo. Mặc dù các vì sao rất khác
nhau về kích thớc, nhiệt độ, độ sáng v
mật độ, Mặt Trời thuộc loại trung bình
xét theo các đặc trng đó. Rõ rng chúng
ta cha hề có một quan trắc no về phần
bên trong của Mặt Trời, nhng dựa trên
những nguyên lý vật lý m chúng ta có
thể suy ra những quá trình xảy ra ở t
rong đó. Sử dụng các thông tin ny,
chúng ta có thể chia Mặt Trời thnh ba
phần (hình 1).
Lõi v phần bên trong

phần trong cùng nhất của Mặt
Trời,
lõi, nhiệt độ cực cao (khoảng 15
triệu
o
C) v mật độ cao dẫn tới các quá
trình
nóng chảy hạt nhân sinh năng
lợng. Trong phản ứng ny các nguyên tử
hyđrô kết hợp dới ảnh hởng nhiệt
lợng v áp suất khổng lồ để tạo thnh
một số lợng ít hơn các nguyên tử hêli.
Một lợng khối lợng nhất định bị mất đi
trong quá trình, nhng năng lợng bức
xạ đợc giải phóng - chính l thứ năng
lợng đạt tới bề mặt Mặt Trời, truyền đi
trong vũ trụ v lm nóng ton bộ Trái
Đất. Lợng năng lợng đó rất biến động.
Hãy thử tởng tợng sự nổ của 100 tỉ quả
bom hyđrô 1 mêga tấn - cái đó tơng
đơng với lợng năng lợng đợc giải
phóng trong lõi
mỗi giây.
Quang quyển
Năng lợng sản xuất trong lõi phát
xạ qua phần bên trong của Mặt Trời đến
tới đáy của vùng đối lu, ở đây các chất
khí chuyển động thăng mang năng lợng
lên tới lớp bề mặt tơng đối mỏng, gọi l
quang quyển.
Hình 1. Năng lợng đợc phát ra trong lõi của
Mặt Trời do sự nóng chảy hạt nhân. Bên trong
Mặt Trời năng lợng đợc phát ra tới đáy của
vùng đối lu, ở đây sự xáo trộn vận chuyển
năng lợng lên phía trên tới đáy của quang
quyển (một lớp của Mặt Trời đợc nhìn thấy
từ Trái Đất)
Quang quyển l một lớp của Mặt
Trời phát xạ phần lớn năng lợng phát
của nó v l phần m chúng ta thực sự
nhìn thấy nh l
đĩa Mặt trời. Mặc dù
bức xạ truyền từ quang quyển tới Trái
Đất chỉ trong khoảng 8 phút, sự truyền
năng lợng bức xạ bên trong Mặt Trời
chậm hơn nhiều. Thật vậy, cần khoảng
một triệu năm để năng lợng giải
phóng trong lõi truyền tới đáy quang
quyển; nh vậy năng lợng đạt tới đợc
Trái Đất l năng lợng rất cổ.
http://www.ebook.edu.vn
66
Nhiệt độ v mật độ của quang quyển
tăng theo độ sâu. Vì vậy, rìa của Mặt Trời
ít sáng chói hơn tâm, một hiện tợng
đợc gọi l
vùng tối rìa (hình 2). Lớp
thấp hơn của quang quyển đậm đặc hơn
v nóng hơn so với phần bên trên, nên nó
phát xạ năng lợng mạnh hơn rất nhiều.
Việc khám phá quang quyển bằng
kính thiên văn cho thấy rằng lớp bên
ngoi không phải l một bề mặt đồng
nhất, bằng phẳng. Ngợc lại, nó gồm một
số thnh tạo với kích thớc v thòi gian
sống khác nhau.
(a)
Hình 2. (a) Vùng tối rìa xảy ra xung quanh rìa
Mặt Trời bởi vì mật độ v nhiệt độ của quang
quyển tăng theo độ sâu. (b) Vì vùng tối rìa,
phần bên ngoi của đĩa Mặt Trời phát ít năng
lợng hơn v tối hơn phần bên trong
Các hạt (granules) l những đỉnh đã
từng tồn tại của các nhân đối lu, vận
chuyển năng lợng từ đáy quang quyển
lên bề mặt của nó. Những thnh tạo ny
giống nh những bọt khí trong một bình
nớc sôi, có đờng kính khoảng 1000 km
v tuổi từ 5 đến 10 phút. Tại mỗi thời
điểm có hng triệu hạt nh vậy trên bề
mặt của quang quyển.
Các vết đen Mặt Trời (mỗi vết kéo
di một số tuần hoặc tháng) l những
vùng tối ở quang quyển với đờng kính
khoảng 10000 km v nhiệt độ khoảng
1500
o
C lạnh hơn bề mặt xung quanh.
Chúng hình thnh để thích ứng với các từ
trờng địa phơng rất mạnh, 1000 lần
mạnh hơn từ trớng của quang quyển
xung quanh, ngăn cản nhiệt trồi lên từ
phía dới.
Việc ghi nhận hoạt động của các vết
đen duy trì từ thời
Galileo Galilei (1564-
1642), ngời đã từng quan sát sự di
chuyển biểu kiến của chúng trên bề mặt
Mặt Trời.
(b)
Ngy nay, chúng ta biết rằng các vết
đen giữ nguyên vị trí v tởng nh di
chuyển chỉ l vì sự xoay của Mặt Trời
(cần khoảng 24 ngy v 16 giờ để hon
thnh một vòng quay). Số lợng vết đen
có xu hớng đạt đỉnh điểm sau từng 11
năm (hình 3). Mặc dù chu trình thờng
khá xác định, những giai đoạn hoạt động
vết đen cực thấp hay cực cao bất thờng
đã xảy ra trong những thời gian lịch sử.
Thí dụ, hình 3 cho thấy một thời kỳ di
trong thế kỷ 17 hoạt động vết đen suy
giảm. (Khoảng trống ny không xuất
hiện ở tất cả các quan trắc). Trong nhiều
năm các nh khoa học đã suy nghĩ về vai
trò có thể có của hoạt động vết đen đối với
biến đổi khí hậu Trái Đất, nhng những
http://www.ebook.edu.vn
67
mối liên hệ nói chung rất yếu v mang
tính kinh nghiệm. Vì không biết một cơ
chế nhân quả no giữa các vết đen v khí
hậu, nên chúng ta có thể rất hoi nghi về
vấn đề ny.
Có lẽ biểu hiện rõ nhất của những
nhiễu động Mặt Trời l
các chớp sáng,
những lóe sáng rất nóng (khoảng 100
triệu
o
C) trên bề mặt quang quyển do
những bất ổn định từ. Nhiệt độ bên trong
các chớp sáng có thể đạt tới 100 000 000
K, v các thnh tạo ny rất có tính bùng
phát, nên chúng đã đợc ví nh những
trái bom cực lớn nổ trên bề mặt Mặt Trời.
Mặc dù chúng chỉ tồn tại cỡ vi phút,
nhng giải phóng một lợng năng lợng
khổng lồ, đặc biệt dới dạng tia X v bức
xạ cực tím.
Crôm quyển v Corona
Bên trên quang quyển l crôm
quyển
(phần thấp) v corona (phần cao
hơn) của bầu khí quyển Mặt Trời. Trái
ngợc với nền sáng mạnh của quang
quyển, crôm quyển thờng l không nhìn
thấy. Tuy nhiên, trong những kỳ nhật
thực, Mặt Trăng che chắn mất quang
quyển sáng hơn, nên crôm quyển dễ nhìn
thấy. Ngoi ra, nếu nhật thực xảy ra sao
cho Mặt Trăng có thể lm tối cả quang
quyển v crôm quyển, thì corona xuất
hiện, nh ở hình 4.
Hình 3. Các vết đen Mặt Trời có vẻ diễn biến tơng đối đều đặn, đỉnh lặp lại sau từng 11
năm. Tuy nhiên, lu ý trên băng ghi di nhất ny, số vết đen trong các thời kỳ hoạt động
đỉnh cao thay đổi đáng kể. Thí dụ, phần lớn thế kỷ 17 l thời kỳ hoạt động vết đen cực tiểu
Hình 4. Khí quyển Mặt Trời gồm crôm quyển
v corona, chỉ nhìn thấy trong kỳ nhật thực
ton phần. Trong ảnh ny Mặt Trăng lm tối
quang quyển v crôm quyển nên corona đợc
nhìn thấy
Ngoi năng lợng điện từ phát xạ,
corona phát ra các prôtôn, điện tử v
những hạt dới nguyên tử khác, tất cả
đợc gọi l
gió Mặt Trời. Các hạt ny
có thể bị bẫy bởi từ trờng Trái Đất, nơi
đây chúng có tơng tác với các chất khí ở
tầng ôzôn để sinh ra hiện tợng phát
quang (xem hình 1.12). Những thời kỳ
hoạt động gió Mặt Trời mạnh bất
thờng có thể ảnh hởng tới việc thu
phát sóng vô tuyến v truyền hình một
cách bình thờng.
http://www.ebook.edu.vn
68
Hằng số Mặt Trời
Tất cả chúng ta biết rằng Mặt Trời rất nóng v chúng ta đợc bảo vệ khỏi nhiệt
lợng khổng lồ của nó vì ở cách xa bề mặt của Mặt Trời. Nhng năng lợng điện từ
di chuyển trong không gian không bị phá hủy khi di chuyển về phía Trái Đất. Bức
xạ đi qua không gian mang theo cùng một lợng năng lợng v có cùng bớc sóng
nh khi nó rời khỏi bề mặt Mặt Trời. Tuy nhiên, tại những khoảng cách lớn hơn kể
từ Mặt Trời, nó phân bố trên diện tích rộng hơn, điều đó lm giảm cờng độ.
Hình 2.9. C~ờng độ của chùm tia bức xạ Mặt Trời không yếu đi khi rời khỏi Mặt
Trời. Tuy nhiên, c~ờng độ bị suy giảm khi nó phân bố cho một diện tích rộng hơn.
Hãy t~ởng t~ợng hai hình cầu bao quanh Mặt Trời (sao cho một hình có bán kính
bằng khoảng cách trung bình Trái Đất - Mặt Trời ). Tất cả bức xạ phát ra từ Mặt
Trời sẽ bị bẫy bởi hình cầu ny. Bây giờ hãy t~ởng t~ợng rằng hình cầu bao quanh
có bán kính bằng khoảng cách trung bình giữa Mặt Trời v sao Hỏa. Hình cầu ny
lớn hơn hình cầu tr~ớc, nên năng l~ợng phải phân bố cho một diện tích lớn hơn
Xét một hình cầu bao phủ quanh Mặt Trời với bán kính bằng khoảng cách
trung bình giữa Trái Đất v Mặt Trời, hay
11
1051 , m (hình 2.9). Vì khoảng cách từ
http://www.ebook.edu.vn
69
Mặt Trời tăng lên, cờng độ của bức xạ giảm tỉ lệ với bình phơng khoảng cách.
Quan hệ ny gọi l định luật bình phơng nghịch đảo. Bằng cách chia tổng bức xạ
Mặt Trời )W,(
26
108653 ì cho diện tích của hình cầu tởng tợng bao quanh Mặt
Trời (diện tích của hình cầu bằng
2
4 r

), chúng ta có thể xác định lợng năng lợng
Mặt Trời nhận đợc bởi một bề mặt vuông góc với các tia đi tới tại khoảng cách Trái
Đất - Mặt Trời trung bình. Lợng bức xạ đến bằng
2
211
26
1367
10514
106853
m/W
)m,(
W,
=
ì
ì

.
Chúng ta coi giá trị 1367 W/m
2
l hằng số Mặt Trời (mặc dù có một biến
thiên nhỏ trong đầu ra của Mặt Trời v các nhân tố khác cho phép hằng số ny có
biến đổi chút ít). Để tiện so sánh, nếu sử dụng cùng quy trình nh trên, chúng ta có
thể xác định rằng hằng số Mặt Trời đối với sao Hỏa (
11
1052 ì, m cách Mặt Trời) l
445 W/m
2
.
Những nguyên nhân tạo nên các mùa của Trái Đất
Mặc dù Mặt Trời phát ra một lợng bức xạ gần nh không đổi, trên Trái Đất
chúng ta trải nghiệm những biến đổi đáng kể về lợng bức xạ nhận đợc trong thời
gian một năm. Những biến đổi về năng lợng thể hiện thnh các mùa. Chúng ta
còn biết rằng các vĩ độ thấp (thí dụ vùng nhiệt đới v cận nhiệt đới) nhận đợc bức
xạ Mặt Trời một năm tại đỉnh của khí quyển nhiều hơn so với các vùng vĩ độ cao
(thí dụ vùng Nam cực v Bắc cực). Trong mục ny, chúng ta sẽ xem xét quỹ đạo của
Trái Đất xung quanh Mặt Trời v định hớng của nó so với bức xạ tới ảnh hởng
nh thế no tới lợng bức xạ Mặt Trời nhận đợc theo mùa v theo vĩ độ (để ngắn
gọn, chúng ta gọi l
bức xạ tới).
Sự quay v sự xoay của Trái Đất
Chúng ta đã biết v nh hình 2.10 cho thấy, Trái Đất quay quanh Mặt Trời
một lần hết
4
1
365 ngy nếu nh nó đi dọc theo một mặt phẳng. Chúng ta gọi bề
mặt tởng tợng ny l
mặt phẳng hong đạo, còn cuộc du ngoạn một năm của
Trái Đất trên mặt phẳng l
sự quay của Trái Đất.
Hình 2.10. Quỹ đạo Trái Đất quanh Mặt Trời không l vòng tròn lý
t~ởng m l ellip. Trái Đất ở gần Mặt Trời nhất (cận điểm) vo
khoảng ngy 3 tháng 1 v xa nhất (viễn điểm) vo ngy 3 tháng 7
http://www.ebook.edu.vn
70
Quỹ đạo không hon ton tròn m giãn ra thnh một đờng ellip, thnh thử
khoảng cách giữa Trái Đất v Mặt Trời thay đổi theo thời gian trong năm. Trái Đất
ở gần Mặt Trời nhất - tại một điểm gọi l
cận điểm - vo đúng hoặc gần ngy 3
tháng 1, khi đó khoảng cách Trái Đất - Mặt Trời bằng khoảng 147 triệu km. Trái
Đất ở xa Mặt Trời nhất - tại một điểm gọi l
viễn điểm - vo đúng hoặc gần ngy 3
tháng 7, khi đó khoảng cách Trái Đất - Mặt Trời bằng khoảng 152 triệu km. Vậy
tại cận điểm khoảng cách 3 % nhỏ hơn tại viễn điểm. Nhng vì cờng độ của bức xạ
tới biến đổi tỉ lệ nghịch với bình phơng khoảng cách Trái Đất - Mặt Trời (nhớ lại
định luật bình phơng nghịch đảo), nên bức xạ gần nh 7 % mạnh hơn. (Tuy nhiên,
nh đã nhắc tới ở đầu chơng ny, sự biến thiên đó về cờng độ không phải l thứ
gây nên sự thay đổi của các mùa.)
Ngoi sự quay, Trái Đất còn thực hiện một chuyển động xoay gọi l
sự xoay.
Sự xoay diễn ra 24 giờ quanh một đờng thẳng tởng tợng gọi l trục Trái Đất, nó
nối các cực Bắc v Nam. Trục không vuông góc với mặt phẳng quỹ đạo của Trái Đất
quanh Mặt Trời, m nghiêng một góc 23,5
o
. Hơn nữa, bất chấp thời gian trong năm,
trục luôn nghiêng về cùng một hớng v luôn hớng tới một vì sao xa gọi l sao
Bắc Đẩu. Hớng nghiêng không đổi có nghĩa l một nửa năm Bắc bán cầu định
hớng về phía Mặt Trời v nửa năm khác Bắc bán cầu định hớng quay đi khỏi
Mặt Trời. Sự định hớng thay đổi của các bán cầu so với Mặt Trời l nguyên nhân
thực của các mùa - không phải l khoảng cách thay đổi giữa Trái Đất v Mặt Trời.
Dễ dng nhận thấy độ nghiêng của trục ảnh hởng nh thế no tới các mùa
nếu chúng ta xem xét một tình huống giả tởng trong đó trục nghiêng không phải
23,5
o
m đúng 90
o
, nh đã vẽ trên hình 2.11. Thực ra, đây l trờng hợp đối với sao
Thiên Vơng, nên cái m chúng ta mô tả không hon ton l giả tởng. Hãy xét
tình huống khi Trái Đất ở vị trí #1. Bắc bán cầu định hớng thẳng về phía Mặt Trời
nên nó đợc chiếu sáng đầy đủ trong suốt chu kỳ xoay 24 giờ. Trong khi đó Nam
bán cầu chịu đựng 24 giờ tối liên tục. Tình huống ny lm cho Bắc bán cầu nóng
hơn Nam bán cầu. Ngoi ra, một ngời đứng tại cực Bắc sẽ nhìn thấy Mặt Trời ở
ngay trên đỉnh đầu trong suốt cả ngy. Nếu di chuyển từ cực Bắc về phía xích đạo,
anh ta thấy độ cao của Mặt Trời trên đờng chân trời dần dần giảm, đến tới xích
đạo thì Mặt Trời trở thnh ở đúng đờng chân trời. Về phía nam của đờng ny,
Mặt Trời nằm ở dới đờng chân trời v thời gian ban đêm bao phủ Nam bán cầu.
Bây giờ xét vị trí #3, nó xuất hiện 6 tháng sau vị trí #1.
ở tình huống ny,
Nam bán cầu ở trong ánh sáng Mặt Trời liên tục trong khi Bắc bán cầu chịu 24 giờ
đêm tối. Hơn nữa, ai đó đứng tại cực Nam sẽ thấy Mặt Trời ngay trên đỉnh đầu v
vị trí biểu kiến của Mặt Trời sẽ dịch về phía đờng chân trời đối với những ngời
quan sát ở gần xích đạo.
Cuối cùng, hãy quan sát những vị trí trung gian #2 v #4. Trong hai tình
huống ny, trục nghiêng 90
o
không về phía m cũng không xa khỏi Mặt Trời v sự
nghiêng trở nên không liên quan gì tới sự thu nhận bức xạ. Ngoi ra, ở các vị trí #2
v #4, từng nơi trên Trái Đất có đợc 12 giờ ánh sáng ban ngy v 12 giờ đêm tối vì
mỗi vĩ độ chịu một nửa sáng v một nửa tối. Cuối cùng, hãy lu ý lúc giữa tra (khi
http://www.ebook.edu.vn
71
vĩ độ của nơi bất kỳ đợc xét hớng thẳng về phía Mặt Trời), một ngời đứng ở xích
đạo sẽ thấy Mặt Trời ở ngay trên đỉnh đầu. Vậy sự quay của Trái Đất gây nên
những thay đổi mùa về lợng sởi nóng của bề mặt. Khi Bắc bán cầu hoặc Nam bán
cầu định hớng về phía Mặt Trời, thì bán cầu đó nhận một lợng bức xạ lớn hơn v
vì vậy, đợc sởi nóng mạnh hơn. Bán cầu no định hớng quay ra xa Mặt Trời thì
nhận ít bức xạ hơn.
Hình 2.11. Một tình huống giả t~ởng khi trục Trái Đất h~ớng dọc
theo mặt phẳng hong đạo. ở vị trí #1 Bắc bán cầu nhận năng
l~ợng từ Mặt Trời nhiều hơn, trong khi Nam bán cầu liên tục tối.
Tình hình ng~ợc lại sau 6 tháng (vị trí #3). Tại các vị trí #2 v #4
cả hai bán cầu nhận những l~ợng năng l~ợng Mặt Trời bằng nhau
Các kỳ nhật chí v nhật phân. Hình 2.12 biểu diễn sự thay đổi theo mùa
thực tế trong định hớng của Trái Đất so với Mặt Trời dựa trên góc nghiêng thực
23,5
o
của trục. Mặc dù trục chỉ nghiêng 23,5
o
, không phải 90
o
, nguyên lý vừa mô tả
vẫn áp dụng đợc. Trong 6 tháng của năm, Bắc bán cầu nhận nhiều ánh sáng Mặt
Trời hơn Nam bán cầu; trong 6 tháng khác, Nam bán cầu nhận đợc lợng bức xạ
lớn hơn. Bốn vị trí thể hiện trên biểu đồ đại diện cho bốn ngy có ý nghĩa đặc biệt.
ở vị trí trái nhất trên hình 2.12, Bắc bán cầu có độ nghiêng cực đại của nó về
phía Mặt Trời. Điều ny xảy ra vo đúng hoặc gần ngy 21 tháng 6, chúng ta gọi l
kỳ nhật chí tháng 6 (còn gọi l
hạ chí theo mùa tơng ứng ở Bắc bán cầu). Mặc dù
http://www.ebook.edu.vn
72
chúng ta định nghĩa nó nh một ngy đầu tiên của mùa hè, nó thực sự đại diện cho
ngy m Bắc bán cầu có bức xạ tới lớn nhất. Sáu tháng sau (đúng hoặc gần ngy 21
tháng 12), Bắc bán cầu có bức xạ tới cực tiểu vo kỳ nhật chí tháng 12 (
đông chí ở
Bắc bán cầu), nó l ngy đầu tiên của mùa đông ở Bắc bán cầu v l ngy đầu tiên
của mùa hè ở Nam bán cầu. Giữa hai kỳ nhật chí l kỳ nhật phân tháng ba (thờng
gọi l
xuân phân đối với Bắc bán cầu) xảy ra vo đúng hoặc gần 21 tháng 3, v kỳ
nhật phân tháng 9 (gọi l
thu phân ở Bắc bán cầu) xảy ra vo đúng hoặc gần 21
tháng 9. Trong các kỳ nhật phân, mọi nơi trên Trái Đất có 12 giờ ngy v đêm v cả
hai bán cầu nhận đợc lợng năng lợng bằng nhau.
Hình 2.12. Trái Đất quay quanh Mặt Trời
Đơng nhiên, sự chuyển tiếp giữa bốn vị trí đợc thể hiện trên hình 2.12 không
xảy ra dới dạng lặp lại đột ngột, m dần dần từ vị trí ny tới vị trí tiếp theo. Nh
đợc thể hiện trên hình 2.13, độ nghiêng 23,5
o
của Bắc bán cầu về phía Mặt Trời
vo kỳ hạ chí gây nên điểm dới Mặt Trời (một điểm ở trên Trái Đất nơi các tia Mặt
Trời gặp bề mặt với một góc vuông v nơi Mặt Trời đợc nhìn thấy ngay trên đỉnh
đầu) tại vị trí 23,5
o
N. Đây l vĩ độ nằm cao nhất về phía bắc của điểm dới Mặt
Trời. Thực tế l Mặt trời không bao giờ xuất hiện ngay trên đỉnh đầu ở phía bắc của
23,5
o
N lm cho vĩ độ ny có một ý nghĩa đặc biệt v chúng ta gọi nó l chí tuyến
Bắc (
Tropic of Cancer).
http://www.ebook.edu.vn
73
Một cách tơng tự, vo kỳ đông chí, Mặt Trời ở ngay trên đỉnh đầu tại 23,5
o
S,
tức chí tuyến Nam (
Tropic of Capricorn). Vo hai kỳ xuân phân v thu phân, điểm
dới Mặt Trời nằm ở xích đạo. Vậy điểm dới Mặt Trời di chuyển 47
o
(tức giữa
23,5
o
N v 23,5
o
S) trong chu kỳ 6 tháng, v vo một ngy cụ thể no đó nó nằm đâu
đó giữa chí tuyến Bắc v chí tuyến Nam. Sự di chuyển ny của điểm dới Mặt Trời
tơng tự nh l thay vì quay quanh Mặt Trời trục của Trái Đất đang từ từ lắc lùi
v tiến về phía Mặt Trời v xa khỏi Mặt Trời.
Hình 2.13. Vì trục Trái Đất nghiêng 23,5
o
,
nên điểm d~ới Mặt Trời nằm ở 23,5
o
N vo kỳ hạ chí
Vị trí vĩ độ của điểm dới Mặt Trời l
xích vĩ Mặt Trời, nó có thể đợc nhận
biết nh vĩ độ m tại đó Mặt Trời giữa tra xuất hiện ngay trên đỉnh đầu. Hình
2.14 vẽ xích vĩ Mặt Trời đối với một số ngy trong năm, những mũi tên giữa các
ngy chỉ hớng di chuyển của xích vĩ tại thời gian đó trong năm.
Bây giờ chúng ta đã thấy thay đổi định hớng của Trái Đất so với Mặt Trời
trực tiếp ảnh hởng tới sự thu nhận bức xạ tới nh thế no thông qua ba cơ chế: (1)
độ di của thời gian ban ngy trong mỗi chu kỳ 24 giờ, (2) góc m ánh sáng Mặt
Trời gặp mặt đất v (3) lợng khí quyển m bức xạ tới phải xuyên qua trớc khi có
thể đạt tới bề mặt Trái Đất.
Độ di ban ngy. Một cách m độ nghiêng của Trái Đất ảnh hởng tới sự thu
nhận năng lợng trên Trái Đất l thông qua các độ di của ngy v đêm. Chúng ta
đã thấy rằng, nếu nh trục nghiêng 90
o
tới mặt phẳng quỹ đạo Trái Đất, thì sẽ có
một ngy m ton bộ Bắc bán cầu trải qua 24 giờ có ánh sáng ban ngy v một chu
kỳ 6 tháng tơng đơng sau đó của đêm di liên tục. Nhng vì trục chỉ nghiêng
http://www.ebook.edu.vn
74
23,5
o
tới mặt phẳng quỹ đạo, nên chỉ những vĩ độ từ 66,5
o
(tức 90
o
trừ 23,5
o
) tới phía
cực mới trải nghiệm một thời gian 24 giờ liên tục l ban ngy hoặc ban đêm. Những
đờng ứng với vĩ độ đó l
vòng cực Bắc (ở Bắc bán cầu) v vòng cực Nam (ở Nam
bán cầu). Điều ny đợc thể hiện trên hình 2.15. Vo kỳ hạ chí, địa điểm bất kỳ ở
về phía bắc vòng cực Bắc có 24 giờ ban ngy. Tại một khoảng cách ngắn ở về phía
nam vòng cực Bắc có gần nh (nhng không hon ton) 24 giờ ban ngy. Khi di
chuyển về phía xích đạo, thời gian ban ngy sẽ giảm đi cho tới khi đạt tới xích đạo,
ở đây ngy v đêm đều di 12 giờ. Khi di chuyển xuống Nam bán cầu, độ di ngy
giảm cho tới 66,5
o
S, ở đây đêm di 24 giờ. Đơng nhiên, một bức tranh ngợc lại sẽ
đúng cho kỳ đông chí.
Hình 2.14. Xích vĩ Mặt Trời từ từ di chuyển lên bắc v xuống nam trong 1 năm. Vo kỳ hạ chí (21/6)
điểm d~ới Mặt Trời ở cao nhất về phía bắc - 23,5
o
N. Xích vĩ Mặt Trời l 23,5
o
S vo kỳ đông chí (23/12)
Độ cao Mặt Trời. Hãy nhớ lại lần cuối cùng bạn có vi giờ th giãn dới ánh
nắng Mặt Trời. Nếu bạn ra khỏi nh vo buổi sớm, khi Mặt Trời ở thấp gần chân
trời, bạn có thể không cảm thấy nhiều sức nóng từ những tia sáng của nó. Nhng
khi Mặt Trời lên cao dần trong bầu trời, bạn sẽ thấy cơ thể đợc sởi ấm hơn. Sự
thay đổi đó chủ yếu l do giảm độ lan tỏa của chùm tia sáng.
Độ lan tỏa của chùm
tia l lợng tăng diện tích bề mặt m trên đó bức xạ đợc phân bố để phù hợp với
một lợng giảm của độ cao Mặt Trời nh trên hình 2.16. Độ lan tỏa cng lớn thì
cờng độ của bức xạ cng nhỏ.
ở phần (a) của hình, ánh sáng tới với một góc 90
o
,
nên nó tập trung vo một diện tích nhỏ hơn v khả năng lm nóng bề mặt tăng lên.
ở phần (b), các tia chiếu tới bề mặt xiên hơn v năng lợng đợc phân bố trên một
http://www.ebook.edu.vn
75
diện tích lớn hơn, dẫn tới một độ chiếu sáng yếu (năng lợng bé hơn trên một diện
tích đơn vị). Nh vậy, một chùm ánh sáng sẽ chiếu sáng hay lm nóng một bề mặt
nhiều hơn nếu nó có một độ cao chiếu tới lớn.
Hình 2.15. Vo ngy hạ chí (a) mọi điểm phía bắc 66,5
o
N có 24 giờ ban ngy v
mọi điểm phía nam của 66,5
o
S có đêm liên tục. Trong ngy đông chí (b) tình
hình sẽ ng~ợc lại. Những vĩ độ đó đ~ợc gọi tuần tự l các vòng cực Bắc v Nam
Độ cao Mặt Trời giữa tra đối với một vĩ độ cho trớc có thể dễ dng xác định
đợc nếu biết xích vĩ Mặt Trời. Muốn vậy, bạn chỉ cần trừ 90
o
cho vĩ độ của địa
điểm đang xét v sau đó cộng thêm với xích vĩ Mặt Trời. Do đó, vo các kỳ nhật

Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×