Bài giảng khí hậu học và khí hậu việt nam (phần 1 khí hậu học) chương 2 – phan văn tân

2.1 Sự nóng lên và n ă ng lượng | Nhiệt độ là biến khí hậu quan trọng nhất | Nhiệt độ là thước đo năng lượng chuyển động của các phân tử.. | Cân bằng năng lượng toàn cầu là sự cân bằ

PHẦN 1: KHÍ HẬU HỌC

Chương 2 Cân bằng năng lượng

toàn cầu

2.1 Sự nóng lên và n ă ng lượng

|   Nhiệt độ là biến khí hậu quan trọng nhất

|   Nhiệt độ là thước đo năng lượng chuyển động của các phân tử

|   Cân bằng năng lượng toàn cầu là sự cân bằng giữa năng lượng

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

trung do phát xạ sóng dài của Trái đất

|   Vai trò của khí quyển: Hấp thụ và phát xạ sóng dài rất mạnh

|   Lượng bức xạ mặt trời hấp thụ được ở nhiệt đới lớn hơn ở gần cực

|   Vai trò của KQ & Đại dương là vận chuyển năng lượng từ nhiệt

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

S − α π R = π σ R T

o

18 C

T ≈ −

2.2 Hệ mặt trời

lượng mặt trời

cho Trái đất

Milky Way của chúng ta

sao ta có thể thấy nằm trong các hệ nhiều sao

chói của mặt trời tăng khoảng 30%

{   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

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 character-istics: the mean planet–Sun distance, the eccentricity, and the orientation

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

Composition H, He, CH4, NH3 Mostly silicates, rocks

TABLE 2.1 Characteristics of the Sun

Mean distance from Earth 1.496 × 1011 m

Bảng 2.1 Các tính chất của mặt trời

Khối lượng 1.99 × 10 30 kg

Khoảng cách trung bình đến Trái đất 1.496 × 10 11 m

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:

{   Khoảng cách trung bình hành tinh-mặt trời: Chi phối lượng

năng lượng mặt trời đến hành tinh và độ dài năm

{   Độ lệch tâm (eccentricity), tức “độ méo” so với đường tròn:

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

{   Độ nghiêng (obliquity), là góc giữa trục quay và pháp tuyến

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

23.45 o

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

{   Ví dụ, hiện tại Trái đất đi qua điểm gần mặt trời nhất (điểm

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

{   Do đó Nam bán cầu nhận được bức xạ tại đỉnh khí quyển

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

{   Là nhân tố quan trọng tác động đến sự đốt nóng của mặt trời

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 (1026kg)

RTB (km) (g/cm ρ 3)

K/C đến mặt trời (106km)

Độ dài năm (ngày)

Độ nghiêng (độ)

Độ lệc tâm quĩ đạo

C.Kỳ Quay (ngày)

Albedo

Sao Thuỷ 3.35 2439 5.51 58 88 (0) 0.206 58.7 0.058

Sao Kim 48.7 6049 5.26 108 225 <3 0.007 -2439 0.71

Trái đất 59.8 6371 5.52 150 365 23.45 0.017 1.00 0.30

Sao Hoả 6.43 3390 3.94 228 687 24.0 0.093 1.03 0.16 Sao Mộc 19.1 69500 1.35 778 4330 3.1 0.048 0.41 0.34 Sao Thổ 5690 58100 0.69 1430 10800 26.8 0.056 0.43 0.34

Th Vương 877 24500 1.44 2870 30700 98.0 0.047 -0.729 0.34 Hải vương 1030 25100 1.65 4500 60200 28.8 0.009 0.76 0.29

Các hành tinh trong hệ mặt trời

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

{   Để tính cân bằng năng lượng của Trái đất cần xét sự trao đổi

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

{   Có thể xem không gian giữa quyển sáng của mặt trời và đỉnh

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 dòng photo = Thông lượng dòng/Diện tích photo =

2 7

2 8

26

2 photo

] m 10 96

6 [ 4

w 10

9

3 r

4

L

×

=

× π

×

=

r photo =6.9 x 10 8 m

•  Thông lượng dòng qua mặt cầu

bán kính d bằng thông lượng

dòng tại quyển sáng và bằng

L 0 = S d 4πd 2

•  Mật độ dòng tại d:

S d = L 0 /(4πd 2 )

•  Cho d bằng khoảng cách trung bình Trái đất – mặt trời:

d=1.5x10 11 m

•  S d à S 0 :

•   S 0 =1379 W/m 2 được gọi là Hằng số mặt trời của Trái đất

•  Giá trị của S 0 nói chung không thống nhất (1368, 1370,…)

S 0 = L 0

4 π d 2 =

3.9 ×10 26 W

4 π "# 1.5 ×10 11 m $% 2 ≅ 1379 (W/m

2 )

Bao quanh mặt trời bởi một mặt cầu bán kính d

2.3.3 Bức xạ bình kín

|   Sự phụ thuộc của phát xạ vật đen vào nhiệt độ, theo định

luật Stefan-Bolzmann:

E BB = σT 4 ; σ = 5.67×10 -8 W/(m 2 K 4 )

|   Ví dụ: Nhiệt độ phát xạ của mặt trời

2 7

4 photo 6 4 10 w / m

σ

K 6000 K

5796

Wm 10

4

6

2 7

σ

×

=

−

2.3.4 Độ phát xạ

•   Độ phát xạ ε là tỷ số giữa phát xạ thực tế của một vật hay một thể tích khí và phát xạ của vật đen có cùng nhiệt độ:

E R = εσT 4

4

R

T

E σ

= ε

2.4 Nhiệt độ phát xạ của Trái đất

|   Nhiệt độ phát xạ của hành tinh là nhiệt độ vật đen mà với nhiệt độ

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

e

A T

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

Te , 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 R2 To achieve equilibrium, we must thus have (Fig 2.3):

Absorbed solar radiation = emitted terrestrial radiation

( )

This leads to

(2.3)

( − α ) = σ 4

0

1 1

and finally to

( α )

σ

1 4 0

1 1 4

This corresponds to Te=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

S 0 (1− α p ) π r p 2

•  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 T e 4 4 π r p 2

Phương trình cân bằng n ă ng lượng

4 e p

4

S

σ

= α

−

e

) 1

)(

4 / S

( T

σ

α

−

=

F 34 C

18 K

255 K

Wm 10

67 5

) 3 0 1 )(

4 / Wm 1367

( 4

2

×

−

−

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:

1

4

27