Bài giảng khí hậu học và khí hậu việt nam (phần 1 khí hậu học) chương 3 – phan văn tân

3.1 Photon và các thành phần vi lượng | Năng lượng truyền từ mặt trời xuống Trái đất chủ yếu bằng con đường bức xạ điện từ | Khí quyển tương đối trong suốt đối với bức xạ mặt trời è

PHẦN 1: KHÍ HẬU HỌC Chương 3 Sự truyền bức xạ trong khí quyển và khí hậu

3.1 Photon và các thành phần vi lượng

|   Năng lượng truyền từ mặt trời xuống Trái đất chủ yếu bằng con

đường bức xạ điện từ

|   Khí quyển tương đối trong suốt đối với bức xạ mặt trời è khoảng

một nửa bức xạ mặt trời xuống đến bề mặt bị hấp thụ bởi mặt đất

và đại dương

|   Để đạt được cân bằng năng lượng è Trái đất phải phát xạ sóng dài

vào không gian vũ trụ è Sự truyền bức xạ sóng dài trong khí

quyển đóng vai trò quan trọng

|   Quá trình truyền bức xạ trong khí quyển phụ thuộc vào tính chất

lý hóa của khí quyển: các thành phần khí, bản chất của các aerosol

và sự hiện diện mây chứa nước

|   Sự hấp thụ bức xạ nhiệt trong không khí được thực hiện bởi các

phân tử gồm một phần nhỏ của khối lượng khí quyển

|   Sự phụ thuộc của khí hậu vào vô số các thành phần vi lượng này

làm cho khí hậu nhạy cảm với những thay đổi tự nhiên và những thay đổi do con người gây ra trong thành phần khí quyển

3.2 Bản chất của bức xạ đ iện từ

|  Bức xạ điện từ có thể xuyên qua hoặc dưới dạng

sóng hoặc dưới dạng các hạt nhỏ biểu diễn sự dịch chuyển của năng lượng trong không gian

|  Khi xem xét quá trình hấp thụ và phát xạ bức xạ thì

năng lượng bức xạ là những hạt năng lượng rời rạc

mà ta gọi là photon

|  Tốc độ của bức xạ điện từ trong chân không là một

hằng số c*=3.108m/s è tần số ν và bước sóng λ tỷ

lệ nghịch với nhau

λ

= ν

*

c

ν

= λ

*

c

= 6.625 x 10-34Js là hằng số Planck

|   Nếu cho rằng ánh sáng như là những photon, khi đó photon có

năng lượng Eν tỷ lệ với tần số của nó

ν

=

E

!

•  è Có thể mô tả ánh sáng dưới dạng sóng hoặc dưới dạng hạt

•  Photon có năng lượng cao = Sóng ngắn;

Photon có năng lượng thấp hơn = Sóng dài hơn

•  Hầu hết năng lượng bức xạ mặt trời nằm trong khoảng bước sóng

100 nm - 4 µm, bao gồm bức xạ tử ngoại, bức xạ nhìn thấy và bức

xạ gần hồng ngoại

•  99% bức xạ mặt trời nằm trong phổ nhìn thấy (0.4-0.75µm) và

gần hồng ngoại (0.75-5µm)

•  Bức xạ tử ngoại chỉ chiếm dưới 1%

•  Năng lượng phát xạ của trái đất hầu như nằm trong khoảng

4-200µm (hồng ngoại)

Phổ bức xạ mặt trời và Trái đất

|  Solar radiation: Peak at ~0.5µm è Shortwaves

|  Earth radiation: Peak at ~10µm è Longwaves

Hấp thụ bức xạ của khí quyển

|  Hầu hết năng lượng bức xạ phát ra từ mặt trời nằm trong

dải bước sóng 100nm-4µm, bao gồm các tia cực tím, ánh sáng nhìn thấy và bức xạ gần hồng ngoại

|  99% năng lượng phát xạ của mặt trời nằm trong dải

bước sóng nhìn thấy (0,4-0,75µm) và gần hồng ngoại

(0,75-5µm)

|  Bức xạ cực tím chiếm chưa đến 1% nhưng lại rất quan

trọng vì nó ảnh hưởng đến khí quyển trên cao và có hại cho sự sống nếu nó chiếu xuống đến bề mặt

khoảng từ 4 µm đến 200 µm, hoàn toàn là hồng ngoại

nhiệt

Hấp thụ bức xạ của khí quyển

|   Phổ phát xạ của Mặt

trời (6000 K) và Trái đất (255 K) như là hàm của bước sóng

|   Bức xạ bị hấp thụ

bởi lớp khí quyển từ

bề mặt đến đỉnh khí quyển

|   Bức xạ bị hấp thụ

bởi lớp khí quyển từ đỉnh tầng đối lưu đến đỉnh khí quyển

|   Vai trò hấp thụ bức xạ của các phân tử khí tại các dải bước sóng

Hấp thụ bức xạ của khí quyển

|   Hơi nước là chất khí hấp thụ bức xạ sóng dài quan trọng nhất:

2-3, 4-7 and >11 µm

|   Carbon dioxide (CO2) là chất khí quan trọng thứ hai:

3.3 Mô tả n ă ng lượng bức xạ

Một số thuật ngữ

năng lượng trên một đơn

vị góc khối, thường xét cho một dải bước sóng

lượng đi qua một mặt (tích phân của cường độ)

|  q = Góc thiên đỉnh

|  j = Góc phương vị

|  dw = Số gia góc khối

|   Cường độ đơn sắc là lượng năng lượng bức

xạ (dFν) trong khoảng tần số (ν ÷ ν+dν) là

dòng xuyên qua một số gia diện tích (dA)

trong một góc khối (dω) trong một khoảng

thời gian (dt):

dFν = Iν cosθ dω dA dν dt

|   dω = sinθ dθ dϕ

|   Mật độ thông lượng phổ ứng với tần số ν:

∫ ∫

ππ

ν

ν = θ ϕ θ θ θ ϕ

2

0

2 /

0

d d sin cos

) , ( I F

Mật độ thông lượng hay mật độ dòng (W/m2):

∫

∞

=

0

d F F

Sự bảo toàn n ă ng lượng

|  Bức xạ đi đến môi trường có thể:

{   bị hấp thụ bởi môi trường

{   bị phản xạ bởi môi trường

{   truyền qua môi trường

Ei = Ea + Er + Et

|  Định nghĩa

{   Độ phản xạ r = Er/Ei

{   Độ hấp thụ a = Ea/Ei

{   Độ truyền qua τ = Et/Ei

|  Sự bảo toàn năng lượng

r + a + τ = 1

Ei

E a

E r

E t

|   Khi tia bức xạ chạm vào một đối tượng (phân tử khí, hạt xon

khí hoặc một mặt rắn, ) có thể xảy ra một vài khả năng

tương tác giữa chúng

|   Bức xạ có thể xuyên qua đối tượng mà không bị biến đổi gì

cả, được gọi là sự truyền xạ hoàn toàn (hay thấu xạ)

|   Bức xạ có thể đổi hướng mà không biến đổi năng lượng, được

gọi là tán xạ thuần tuý

|   Bức xạ có thể bị hấp thụ, trong đó năng lượng của nó được

truyền cho đối tượng

|   Khả năng photon sẽ bị tán xạ, hấp thụ hoặc truyền qua phụ

thuộc vào tần số bức xạ và tính chất vật lý của đối tượng:

hiệu quả vì khi đó chỉ xảy ra sự hấp thụ tương đối nhỏ

ngoại rất hữu hiệu ở những tần số nhất định

3.4 Định luật phát xạ vật đ en của Planck

|   Định luật Planck: Cường độ bức xạ trong bình kín ở trạng thái

cân bằng nhiệt động được xác định một cách đơn trị như là

hàm của tần số và nhiệt độ

) 1 e

(

1 c

2 )

T (

B

kT / 2

*

3

−

ν

=

ν

!

=6.625×10-34 Js (hằng số Planck), k=1.37×10-23 J/K (hằng số

Boltzmann), c* = 3×108 m/s (tốc độ ánh sáng), ν là tần số bức xạ đo bằng 1/s, T là nhiệt độ đo bằng độ Kelvins

•  Định luật Stefan-Boltzmann là tích phân định luật Planck trên toàn bộ tần số và trên tất cả các góc trong nửa bán cầu:

!

4 0

T d

) T (

π ∫

∞

4 5 c 15

k

2

!

π

= σ

•  Định luật Wien: Bước sóng phát xạ cực đại tỷ lệ nghịch với

nhiệt độ

|   Cường độ phát xạ được xác định bởi:

•  Cường độ phát xạ

là hàm rất nhạy của bước sóng

•  Tổng lượng phát

xạ phụ thuộc mạnh vào nhiệt

độ

Bức xạ của mặt trời và bức xạ của trái đất

|   Trái đất nhận năng lượng từ mặt trời tại mọi dải bước sóng, nhưng

chủ yếu là ở những bước sóng nhìn thấy hoặc bước sóng ngắn hơn

|   Trái đất phát xạ trở lại không gian vũ trụ ở những bước sóng dài

hơn rất nhiều (phát xạ nhiệt)

|   Vì nhiệt độ trái đất và nhiệt độ mặt trời rất khác nhau, nên để thuận

tiện ta chia bức xạ khí quyển thành bức xạ mặt trời và bức xạ

trái đất

Một số thuật ngữ về bức xạ

xạ gần hồng ngoại, Bức xạ hồng ngoại, Vi sóng, v.v

3.5 Sự hấp thụ và phát xạ có chọn lọc do các chất

khí trong khí quyển

•  Sự chênh lệch này được giải thích bởi tính chất truyền khác nhau của khí quyển đối với bức xạ trái đất và bức xạ mặt trời: Khí

quyển tương đối trong suốt đối với bức xạ mặt trời, và gần như mờ đục đối với bức xạ trái đất

Các chất khí khác nhau hấp thụ bức xạ mạnh/yếu

ở những

bước sóng khác nhau

Tại sao?

Sự hấp thụ bức xạ bởi các chất khí khác nhau

Phân tử là những chất hấp thụ/phát xạ

|   Các phân tử khí trong khí

quyển tương tác với các photon của bức xạ điện từ

|   Các loại chuyển mức năng

lượng phân tử khác nhau có thể hấp thụ/phát xạ bức xạ ở những bước sóng rất khác nhau

|   Một số phân tử có thể tương

tác với các photon mạnh hơn các phân tử khác nhiều

|   Cấu trúc phân tử khác nhau tạo

ra sự hấp thụ/phát xạ ở những bước sóng khác nhau

Minh họa sự truyền và hấp thụ bức xạ sóng dài trong khí quyển