Bài giảng Khí hậu học và Khí hậu Việt Nam (Phần 1: Khí hậu học): Chương 2 – Phan Văn Tân

Bài giảng Khí hậu học và Khí hậu Việt Nam (Phần 1: Khí hậu học) - Chương 2: Cân bằng năng lượng toàn cầu. Những nội dung chính trong chương gồm có: Sự nóng lên và năng lượng, hệ mặt trời, cân bằng năng lượng trái đất, nhiệt độ phát xạ của trái đất, hiệu ứng nhà kính.

PHẦN 1: KHÍ HẬU HỌC

Chương 2 Cân bằng năng lượng

toàn cầu

2.1 Sự nóng lên và n ă ng lượng

bức xạ sóng ngắn đến từ mặt trời và năng lượng trả về không

trung do phát xạ sóng dài của Trái đất

{   Hấp thụ bức xạ mặt trời chủ yếu xảy ra ở bề mặt

{   Phát xạ sóng dài chủ yếu xảy ra từ lớp vỏ khí quyển

{   Nếu không có lớp khí quyển thì bề mặt đất sẽ nóng hơn rất nhiều

đới về hai đầu cực è làm giảm hiệu ứng gradient nhiệt độ ở bề mặt

Cân bằng năng lượng Trái đất

Năng lượng đến = Năng lượng đi

|  Mặt trời là một trong khoảng 1011 ngôi sao trong dải Ngân hà

Milky Way của chúng ta

|  Mặt trời là một ngôi sao đơn trong khi hai phần ba các ngôi

sao ta có thể thấy nằm trong các hệ nhiều sao

|  Từ khi hình thành Trái đất đến nay (khoảng 4.5 tỷ năm) độ

chói của mặt trời tăng khoảng 30%

|  Hệ mặt trời có 8 hành tinh, có thể chia thành hai nhóm:

{   Các hành tinh bên trong (terrestrial): Mercury, Venus, Mars, and

Earth (Sao Thủy, Sao Kim, Sao Hỏa và Trái Đất)

{   Các hành tinh bên ngoài (Jovian): Jupiter, Saturn, Uranus, and

Neptune (Sao Mộc, Sao Thổ, Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương)

2.2 Hệ mặt trời

26 2 THE GLOBAL ENERGY BALANCE

whereas the temperature of the photosphere of the Sun is about 6000 K The photosphere is the region of the Sun from which most of its energy emission is released to space Stellar radii range from 0.1 to 200 solar radii Energy is produced in the core of the Sun by nuclear fusion, whereby lighter elements are made into heavier ones, releasing energy in the pro- cess For a smallish star such as the Sun, the projected lifetime on the main sequence is about 11 billion years, of which about half has passed The Sun is thus a solitary, middle-aged, medium-bright star Theories of stellar evolution predict that the luminosity of the Sun has increased by about 30% during the lifetime of Earth, about 4.5 billion years The cause of this increased energy output is the gradual increase in the density of the Sun,

as lighter elements convert to heavier ones.

The solar system includes eight planets They may be divided into the

terrestrial , or inner, planets and the Jovian, or outer, planets (Table 2.2) The

terrestrial planets include Mercury, Venus, Mars, and Earth The Jovian planets include Jupiter, Saturn, Uranus, and Neptune.

2.2.1 Planetary Motion

The planets orbit about the Sun in ellipses, which have three istics: the mean planet–Sun distance, the eccentricity, and the orientation

character-of the orbital plane The mean distance from the Sun controls the amount

of solar irradiance (energy delivered per unit time per unit area) arriving

TABLE 2.2 Characteristics of Inner and Outer Planets

Atmosphere Extensive Thin or none

Composition H, He, CH 4 , NH 3 Mostly silicates, rocks

TABLE 2.1 Characteristics of the Sun

2.2.1 Sự chuyển động của Trái đất

|  Các hành tinh nói chung, Trái đất nói riêng, quay xung

quanh mặt trời theo quỹ đạo ellipse với 3 đặc trưng:

năng lượng mặt trời đến hành tinh và độ dài năm

Chi phối mức độ biến động trong năm của bức xạ mặt trời đến

của mặt phẳng quĩ đạo: Chi phối biến động mùa của bức xạ mặt trời nhất là ở các vĩ độ cao Ảnh hưởng mạnh đến bức xạ mặt trời trung bình năm ở các vùng cực Giá trị hiện tại là

23.45o

2.2 Hệ mặt trời

|  Kinh độ của điểm cận nhật (perihelion) xác định pha các

mùa đối với vị trí của hành tinh trên quỹ đạo

cận nhật) vào mùa đông Nam bán cầu, khoảng 05 tháng 1

trong mùa hè nhiều hơn Bắc bán cầu, mặc dù bức xạ mặt trời trung bình năm cả hai bán cầu như nhau

|  Tốc độ quay (quanh trục) của hành tinh: Quyết định thời

gian chiếu nắng ban ngày

đối với khí quyển và đại dương è Tác động đến chế độ gió và dòng chảy

Bảng 2.3 Tính chất vật lý của hành tinh trong hệ mặt trời

Hành

tinh

KLg (10 26 kg)

RTB (km) (g/cmρ 3 )

K/C đến mặt trời (10 6 km)

Độ dài năm (ngày)

Độ nghiêng (độ)

Độ lệc tâm quĩ đạo

C.Kỳ Quay (ngày)

Chuyển động của Trái đất xung quanh mặt trời

Mô phỏng sự chuyển động của Trái đất xung quanh mặt trời

2.3 Cân bằng n ă ng lượng Trái đất

2.3.1 Định luật thứ nhất nhiệt động học

|  “Lượng nhập nhiệt của hệ thống bằng sự biến đổi của nội

năng trừ đi công tiêu hao”: dQ = dU - dW

|  Nhiệt ( dQ ) có thể được truyền đến và truyền đi từ hệ theo

ba cách:

{   Bức xạ: Không có trao đổi khối lượng, không đòi hỏi môi

trường truyền Năng lượng bức xạ thuần di chuyển với tốc độ ánh sáng

{   Dẫn nhiệt: Không trao đổi khối lượng, nhưng đòi hỏi phải có

môi trường truyền nhiệt bằng sự va chạm giữa các nguyên tử hay phân tử

{   Đối lưu: Có trao đổi khối lượng Sự chuyển dịch khối lượng

thực sự có thể xuất hiện, nhưng thông thường là các phần tử vật chất có năng lượng khác nhau thay đổi vị trí cho nhau, do đó năng lượng được trao đổi mà không có sự dịch chuyển thực sự của khối lượng

2.3.1 Định luật thứ nhất nhiệt động học

|  Năng lượng từ mặt trời truyền xuống trái đất hầu như

hoàn toàn bằng con đường bức xạ

năng lượng bức xạ

|  Bỏ qua ảnh hưởng của lượng vật chất trong không gian

vũ trụ đến dòng năng lượng giữa mặt trời và Trái đất

tầng khí quyển Trái đất như là chân không

2.3.2 Dòng n ă ng lượng, bức xạ và hằng số mặt trời

|  Mặt trời phát ra dòng năng lượng gần như không đổi

được gọi là độ trưng, hay thông lượng dòng mặt trời

|  Độ rọi hay mật độ dòng có thể được định nghĩa bởi:

Mật độ dòngphoto = Thông lượng dòng/Diện tíchphoto =

2 7

2 8

26

2 photo

]m1096

.6[4

w10

9

3r

×

=

rphoto=6.9 x 108 m

•   S0=1379 W/m2 được gọi là Hằng số mặt trời của Trái đất

•  Giá trị của S0 nói chung không thống nhất (1368, 1370,…)

4 photo 6 4 10 w / m

σ

K6000K

5796

Wm10

4

6

2 7

= ε

2.4 Nhiệt độ phát xạ của Trái đất

này nó cần phát xạ để đạt được sự cân bằng năng lượng

Bức xạ mặt trời hấp thụ được = Bức xạ phát xạ của Trái đất

•  Diện tích nhận năng lượng mặt trời bằng diện tích vùng khuất bóng

•  Diện tích phát xạ bằng diện tích mặt cầu

Goosse H., P.Y Barriat, W Lefebvre, M.F Loutre and V Zunz (2010)

Figure 2.2: Heat absorbed and emitted by the Earth

In order to achieve a heat balance, the heat flux coming from the Sun must be compensated for by an equivalent heat loss If this were not true, the Earth’s temperature

would rapidly rise or fall At the Earth’s temperature, following Wien’s Law, this is

achieved by radiating energy in the infrared part of the electromagnetic spectrum As the radiations emitted by the Earth have a much longer wavelength than those received from

the Sun, they are often termed longwave radiation while those from the Sun are called

shortwave radiation Treating the Earth as a black body, the total amount of energy that

is emitted by a 1 m2 surface (A↑) can be computed by Stefan-Boltzmann’s law:

(2.1) σ

↑= 4

e

where σ is the Stefan Boltzmann constant (σ=5.67 10 -8 W m-2 K-4) This equation defines

T e , effective emission temperature of the Earth The Earth emits energy in the directions,

so the total amount of energy emitted by the Earth is A↑ times the surface of the Earth, 4

π R 2 To achieve equilibrium, we must thus have (Fig 2.3):

Absorbed solar radiation = emitted terrestrial radiation

4 p S T eand finally to

1 1 4

This corresponds to T e=255 K (=-18°C) Note that we can interpret Eq (2.3) as the mean balance between the emitted terrestrial radiation and the absorbed solar flux for 1 m2 of the Earth’s surface As shown above, the factor 1/4 arises from the spherical geometry of the Earth, because only part of the Earth’s surface receives solar radiation directly

26

•  Nhưng không phải tất cả bức xạ mặt trời chiếu đến hành tinh đều được hấp thụ Một tỷ lệ nào đó sẽ bị phản xạ trở lại không gian vũ trụ không được hấp thụ và do đó không được đưa vào cân bằng năng lượng hành tinh Ta gọi độ phản xạ đó của hành tinh là

albedo và ký hiệu nó bởi α p

S0 (1− α p ) π rp2

•  Albedo trung bình toàn cầu khoảng 30% nên chỉ 70%

độ chiếu nắng được hấp thụ bởi hệ thống khí hậu

•  Bức xạ mặt trời được hấp thụ =

•  Độ chiếu nắng trung bình toàn cầu tại đỉnh khí quyển khoảng 340 W/m 2, nên chỉ khoảng 240 W/m 2 được

hấp thụ

•  Giả thiết phát xạ của trái đất giống như của vật đen

•  Diện tích mà từ đó xảy ra sự phát xạ là diện tích mặt cầu

•   Bức xạ phát xạ Trái đất = σ Te44 π rp2

Phương trình cân bằng n ă ng lượng

Bức xạ mặt trời hấp thụ được = Bức xạ phát xạ của Trái đất

4 e p

0 ( 1 ) T 4

S

σ

= α

−

e

)1

)(

4/S

(T

18K

255K

Wm10

67.5

)3.01)(

4/Wm1367

(4

Nhưng giá trị quan trắc của Ts là khoảng 15° C ???

2 The Energy balance, hydrological and carbon cycles

Figure 2.3: Simple heat balance of the Earth (assuming it behaves like a perfect

blackbody)

The temperature T e is not a real temperature that could be measured somewhere on

Earth It is only the black body temperature required to balance the solar energy input It

can also be interpreted as the temperature that would occur on the Earth’s surface if it

were a perfect black body, there were no atmosphere, and the temperature was the same

at every point

2.1.2 The greenhouse effect

The atmosphere is nearly transparent to visible light, absorbing about 20% of the

incoming solar radiation As a consequence, the majority of the absorption takes place at

Earth’s surface (see section 2.1.6) On the other hand, the atmosphere is almost opaque

across most of the infrared part of the electromagnetic spectrum This is related to the

radiative properties of some minor constituents of the atmosphere, especially water

vapour, carbon dioxide, methane and ozone Those gases constitute only a small fraction

of the atmospheric composition, while the two dominant components (molecular nitrogen

and oxygen, see section 1.2) play nearly no part in this opacity Nevertheless, a

significant fraction of the energy emitted by the Earth’s surface is absorbed by the

atmosphere and re-emitted, significantly increasing the temperature of the system

In a garden greenhouse, panes of glass are transparent to visible light but opaque to

infra-red radiation, ‘trapping’ part of the energy emitted by the surface and resulting in a

warming of the air By analogy, the alteration of the energy budget by some minor

atmospheric constituents described above is called the greenhouse effect and those minor

constituents the greenhouse gases However, the climate system is much more complex

than a greenhouse and in a garden greenhouse a significant fraction of the warming is

related to the reduction of the turbulent heat exchanges with atmosphere, not in the

modification of the radiative fluxes The analogy should be used with caution

The greenhouse effect can be illustrated by a very simple model in which the

atmosphere is represented by a single homogenous layer of temperature T a, totally

transparent to the solar radiation and totally opaque to the infrared radiations emitted by

the Earth’s surface (Fig 2.4) Because of this opacity of the atmosphere to surface

radiation, all the energy radiated to space is from the atmosphere Using Equation 2.3, the

balance at the top of the atmosphere is thus:

2.5 Hiệu ứng nhà kính

•  Khí quyển được giả thiết là vật đen đối với bức xạ Trái đất,

nhưng nó trong suốt đối với bức xạ mặt trời

•  Bức xạ mặt trời chủ yếu là bức xạ nhìn thấy và gần hồng ngoại, còn trái đất chủ yếu phát xạ bức xạ nhiệt hồng ngoại, nên khí quyển có thể tác động đến bức xạ mặt trời và bức xạ trái đất rất khác nhau

Hiệu ứng nhà kính

•  Bức xạ sóng ngắn của mặt trời có thể xuyên qua

được mái nhà bằng kính

và sưởi ẩm các vật thể và không khí bên trong nhà

•  Các vật thể và không khí nóng lên, phát xạ trở lại sóng dài

•  Một lượng bức xạ sóng dài không thể xuyên qua được lớp kính, bị giữ lại làm ấm thêm môi trường bên trong nhà

•  Đó là hiệu ứng nhà kính

•  Cân bằng năng lượng tại đỉnh khí quyển: 0 1 4 4

4 ( p ) T A T e

S

σ

=σ

=α

−

•  Cân bằng năng lượng khí quyển: σ Ts4 = 2 σ TA4 ⇒ Ts4 = 2 Te4

•  Cân bằng năng lượng bề mặt: ! 0 ( 1 p ) T A4 T s4 T s4 2 T e4

4

S

σ

= σ

⇒ σ

= σ

+ α

−

|  Nhiệt độ bề mặt tăng lên vì khí quyển không những

không ngăn chặn dòng năng lượng tới bề mặt, mà còn

làm tăng sự đốt nóng bề mặt của bức xạ mặt trời bằng chính sự phát xạ bức xạ sóng dài của nó xuống phía

dưới mà trong trường hợp này nó bằng lượng nhiệt đốt nóng của mặt trời

SW in = 342–107

= 235

= LW out

2.6 Cân bằng n ă ng lượng bức xạ toàn cầu

|   Bức xạ sóng ngắn (SW): 342 - 107 = 67 + 168 = 235 (TOA) (Albedo) (Atm) (Surf)

|   Phát xạ sóng dài: 165 (Atm) + 30 (Cloud) + 40 (Surf) = 235

|   Bề mặt: 168 + 324 = 390 + 24 + 78 = 492 (Heating by SW + LW) (Cooling by LW+SH+LH)

|   Khí quyển: 67 + 350 + 24 + 78 = 165 + 30 + 324 = 519

(Heating by SW + LW + SH + LH) (Cooling by Atm + Cloud + GHE)

Phiên bản khác (!?)

Các giá trị khác nhau giữa hai các phiên bản

Phiên bản khác (!?)

2.6 GLOBAL RADIATIVE FLUX ENERGY BALANCE 35

current climate This depends not only on the opacity of the atmosphere

for longwave radiation but also on the transparency of the atmosphere to

solar radiation and the fact that the temperature of the atmosphere

decreases with altitude The decrease of temperature with altitude is

possible because the atmosphere is a compressible gas.

Using the numbers in Fig 2.4 , one can construct the energy budgets at

the top of atmosphere, the atmosphere and the surface.

+ +

+ +

88 Wm

surface longwave

51 Wm

outgoing longwave

51 Wm

outgoing longwave

239 Wm

Net radiative cooling

108 Wm

Thermal

20 Wm

latent heating

88 Wm

So that 81% of the radiative cooling of the atmosphere is balanced by

latent heating This also marks a very significant constraint on the

pre-cipitation rate, since the heating of the atmosphere by the condensation of

water vapor must be approximately balanced by the radiative cooling of

the atmosphere This is discussed more in Chapter 13.

88 Wm

surface longwave

51 Wm

Storage

0.6 Wm

The very strong downward emission of terrestrial radiation from the

atmosphere is essential for maintaining the relatively small diurnal

varia-tions in surface temperature over land If the downward longwave were

not larger than the solar heating of the surface, then the land surface

Incoming solar -reflected lar -emitted terrestrial radiation

so-= Storage 340 W m-2-100 W m-2 -239 W m-2= 0.6 W m-2

Absorbed solar +thermals +latent heating +surface long- wave -outgoing longwave= 080

W m-2 +20 Wm-2 +88 W m-2 +51 W m-2 -239 W m-2= 0

Absorbed solar +surface wave -outgoing longwave=Net radiative cooling=Thermal +la- tent heating80 W m-2 +51 W m-2 -239 W m-2=108 Wm-2=20 Wm-2+88 W m-2

long-Absorbed solar -thermals

- latent heating - surface wave= Storage 160 W m-2 -20 W m-2 -88 W m-2 -51 W m-2= 0.6

long-W m-2

2.6 GLOBAL RADIATIVE FLUX ENERGY BALANCE 35

current climate This depends not only on the opacity of the atmosphere

for longwave radiation but also on the transparency of the atmosphere to

solar radiation and the fact that the temperature of the atmosphere

decreases with altitude The decrease of temperature with altitude is

possible because the atmosphere is a compressible gas.

Using the numbers in Fig 2.4, one can construct the energy budgets at the top of atmosphere, the atmosphere and the surface.

+ +

+ +

−

−

Absorbed solar

80 Wm

thermals

20 Wm

latent heating

88 Wm

surface longwave

51 Wm

outgoing longwave

51 Wm

outgoing longwave

239 Wm

Net radiative cooling

108 Wm

Thermal

20 Wm

latent heating

88 Wm

So that 81% of the radiative cooling of the atmosphere is balanced by latent heating This also marks a very significant constraint on the pre-

cipitation rate, since the heating of the atmosphere by the condensation of

water vapor must be approximately balanced by the radiative cooling of

the atmosphere This is discussed more in Chapter 13.

160 Wm

thermals

20 Wm

latent heating

88 Wm

surface longwave

51 Wm

Storage 0.6 Wm

The very strong downward emission of terrestrial radiation from the atmosphere is essential for maintaining the relatively small diurnal varia-

tions in surface temperature over land If the downward longwave were

not larger than the solar heating of the surface, then the land surface

Incoming solar -reflected lar -emitted terrestrial radiation

so-= Storage 340 W m-2-100 W m-2 -239 W m-2= 0.6 W m-2

Absorbed solar +thermals +latent heating +surface long- wave -outgoing longwave= 080

W m-2 +20 Wm-2 +88 W m-2 +51 W m-2 -239 W m-2= 0

Absorbed solar +surface wave -outgoing longwave=Net radiative cooling=Thermal +la- tent heating80 W m-2 +51 W m-2 -239 W m-2=108 Wm-2=20 Wm-2+88 W m-2

long-Absorbed solar -thermals

- latent heating - surface wave= Storage 160 W m-2 -20 W m-2 -88 W m-2 -51 W m-2= 0.6

long-W m-2

2.6 GLOBAL RADIATIVE FLUX ENERGY BALANCE 35

current climate This depends not only on the opacity of the atmosphere for longwave radiation but also on the transparency of the atmosphere to solar radiation and the fact that the temperature of the atmosphere decreases with altitude The decrease of temperature with altitude is possible because the atmosphere is a compressible gas.

Using the numbers in Fig 2.4 , one can construct the energy budgets at the top of atmosphere, the atmosphere and the surface.

+ +

+ +

−

−

Absorbed solar

80 Wm

thermals

20 Wm

latent heating

88 Wm

surface longwave

51 Wm

outgoing longwave

Absorbed solar

80 Wm

surface longwave

51 Wm

outgoing longwave

239 Wm

Net radiative cooling

108 Wm

Thermal

20 Wm

latent heating

88 Wm

So that 81% of the radiative cooling of the atmosphere is balanced by latent heating This also marks a very significant constraint on the pre- cipitation rate, since the heating of the atmosphere by the condensation of water vapor must be approximately balanced by the radiative cooling of the atmosphere This is discussed more in Chapter 13.

160 Wm

thermals

20 Wm

latent heating

88 Wm

surface longwave

51 Wm

Storage 0.6 Wm

The very strong downward emission of terrestrial radiation from the atmosphere is essential for maintaining the relatively small diurnal varia- tions in surface temperature over land If the downward longwave were not larger than the solar heating of the surface, then the land surface

Incoming solar -reflected lar -emitted terrestrial radiation

so-= Storage 340 W m-2-100 W m-2 -239 W m-2= 0.6 W m-2

Absorbed solar +thermals +latent heating +surface long- wave -outgoing longwave= 080

W m-2 +20 Wm-2 +88 W m-2 +51 W m-2 -239 W m-2= 0

Absorbed solar +surface wave -outgoing longwave=Net radiative cooling=Thermal +la- tent heating80 W m-2 +51 W m-2 -239 W m-2=108 Wm-2=20 Wm-2+88 W m-2

long-Absorbed solar -thermals

- latent heating - surface wave= Storage 160 W m-2 -20 W m-2 -88 W m-2 -51 W m-2= 0.6

long-W m-2

2.6 GLOBAL RADIATIVE FLUX ENERGY BALANCE 35

current climate This depends not only on the opacity of the atmosphere

for longwave radiation but also on the transparency of the atmosphere to

solar radiation and the fact that the temperature of the atmosphere

decreases with altitude The decrease of temperature with altitude is

possible because the atmosphere is a compressible gas.

Using the numbers in Fig 2.4 , one can construct the energy budgets at the top of atmosphere, the atmosphere and the surface.

+ +

+ +

88 Wm

surface longwave

51 Wm

outgoing longwave

51 Wm

outgoing longwave

239 Wm

Net radiative cooling

108 Wm

Thermal

20 Wm

latent heating

88 Wm

So that 81% of the radiative cooling of the atmosphere is balanced by latent heating This also marks a very significant constraint on the pre-

cipitation rate, since the heating of the atmosphere by the condensation of

water vapor must be approximately balanced by the radiative cooling of

the atmosphere This is discussed more in Chapter 13.

160 Wm

thermals

20 Wm

latent heating

88 Wm

surface longwave

51 Wm

Storage 0.6 Wm

The very strong downward emission of terrestrial radiation from the atmosphere is essential for maintaining the relatively small diurnal varia-

tions in surface temperature over land If the downward longwave were

not larger than the solar heating of the surface, then the land surface

Incoming solar -reflected lar -emitted terrestrial radiation

so-= Storage 340 W m-2-100 W m-2 -239 W m-2= 0.6 W m-2

Absorbed solar +thermals +latent heating +surface long- wave -outgoing longwave= 080

W m-2 +20 Wm-2 +88 W m-2 +51 W m-2 -239 W m-2= 0

Absorbed solar +surface wave -outgoing longwave=Net radiative cooling=Thermal +la- tent heating80 W m-2 +51 W m-2 -239 W m-2=108 Wm-2=20 Wm-2+88 W m-2

long-Absorbed solar -thermals

- latent heating - surface wave= Storage 160 W m-2 -20 W m-2 -88 W m-2 -51 W m-2= 0.6

long-W m-2

Tại đỉnh khí quyển

Khí quyển

Bề mặt