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

*

c

ν

= λ

*

c

= 6.625 x 10 -34 Js 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

•  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

|   Năng lượng phát xạ của Trái đất gần như nằm trong

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:

{   Góp phần quan trọng vào việc hấp thụ bức xạ trong các dải bước sóng

2-3, 4-7 and >11 µm

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

{   Hấp thụ hầu như 100% lượng bức xạ có bước sóng >11 µm

3.3 Mô tả n ă ng lượng bức xạ

Một số thuật ngữ

|   Độ chói hay Cường độ là

năng lượng trên một đơn

vị góc khối, thường xét cho một dải bước sóng

|   Thông lượng là tổng năng

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

0

d d sin cos

) , ( I F

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

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

|   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:

{   Những giọt nước tinh khiết trong mây làm tán xạ bức xạ nhìn thấy rất

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

{   Hơi nước và carbon dioxide là những chất hấp thụ bức xạ nhiệt hồng

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

•   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 (

c 15

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

nhiệt độ

|   Cường độ phát xạ được xác định bởi:

{   Định luật Planck (phụ thuộc bước sóng)

{   Định luật Stefan Boltzmann (tổng lượng phát xạ)

{   Định luật Wien (bước sóng phát xạ cực đại)

•  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

|   Gọi theo nguồn gốc

{   Bức xạ mặt trời : Bắt nguồn từ mặt trời

{   Bức xạ trái đất : Bắt nguồn từ trái đất

|   Gọi theo tên gọi thích hợp

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

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

Sự truyền bức xạ mặt trời: Sự hình thành và

phá huỷ tầng Ozone

•  Bức xạ mặt trời có các bước sóng nằm trong khoảng 0.75-5µm, gọi là bức xạ gần hồng ngoại , bị hấp thụ một cách yếu ớt bởi

nước, carbon dioxide, ozon, và ôxy

•  Hầu hết bức xạ tử ngoại từ mặt trời có các bước sóng <0.2µm bị hấp thụ trong lớp khí quyển tầng cao do quá trình quang ly và

ion hoá nitơ và ôxy

•  Bức xạ ở những tần số giữa 0.2-0.3µm bị hấp thụ bởi ozon trong tầng bình lưu

•   Bức xạ nhìn thấy vừa quá mạnh

để bị hấp thụ bởi hầu hết các khí trong khí quyển vừa không đủ mạnh để quang ly các khí này, do

đó khí quyển hầu như trong suốt

(thấu xạ) đối với nó

|   Phần lớn khí quyển

được cấu thành từ các phân tử nitơ và ôxy

|   Ngoại trừ đối với

vùng nằm giữa 8 và

12 µm , khí quyển gần như mờ đục đối với bức xạ trái đất

|   Các phân tử có 3

nguyên tử có hầu hết các dải hấp

|   Các bước sóng

nằm trong dải 8

µm - 11 µm ít bị hấp thụ (các “cửa sổ”)

3.6 Định luật Lambert-Bouguet-Beer: Thành lập công thức

dòng hấp thụ

|   không xét sự phát xạ do khí quyển

|   bỏ qua sự tán xạ và xem rằng khí quyển chỉ có thể

cho truyền qua hoặc hấp thụ bức xạ mặt trời

|   xem khí quyển là một mặt phẳng song song, bỏ qua

tính chất hình cầu của quả đất

|   các tính chất của khí quyển được giả thiết chỉ là hàm

của toạ độ thẳng đứng

|   bức xạ mặt trời có thể được xét như một chùm tia

song song, nên chỉ cần xét một hướng của bức xạ mà trong trường hợp này nó được đặc trưng đầy đủ bởi góc thiên đỉnh θ

•   Định luật Lambert - Bouguet - Beer về sự suy giảm: sự hấp thụ quan

hệ tuyến tính với cường độ bức xạ và lượng chất hấp thụ

•  Lượng hấp thụ bởi một lớp độ dày dz tỷ lệ với tích của dòng bức xạ (F)

và khối lượng chất hấp thụ dọc theo đường đi của bức xạ

•   Hằng số tỷ lệ k abs đo bằng m 2/kg (còn được gọi là mặt hấp thụ ngang

của chất khí đang xét)

|   Sự hấp thụ bức xạ mặt trời

phụ thuộc vào độ dài quãng đường xuyên qua khí quyển (ds) mà không phụ thuộc vào độ cao theo phương thẳng đứng (dz)

|   dòng đi đến suy giảm theo qui luật

hàm mũ dọc theo đường xiên ds

abs a

dF = − k ρ Fds

(chuyển ds sang dz)

(Định nghĩa độ dày quang học)

(Sử dụng hệ tọa độ độ dày quang học)

3.6.1 Mức độ hấp thụ

KQ đẳng nhiệt (Mật độ chất hấp thụ giảm theo z)

H là độ cao qui mô = RT/g)

Độ dày quang học như là hàm của độ cao và tỷ số xáo trộn của chất hấp thụ Quan hệ đơn giản giữa độ dày quang học và z

cos

µ ≡ θ

Mức độ (cường độ) hấp thụ

Tốc độ đốt nóng như là phân kỳ của dòng

=> Mức độ hấp thụ trên một đơn vị thể tích đạt cực đại khi tích

của thông lượng và khối lượng hấp thụ đạt cực đại

Độ dày quang học tổng cộng

|   Mức độ hấp thụ đạt cực đại tại τ/µ = 1

|   Mực áp suất, mà ở đó mức độ hấp thụ đạt cực đại, được cho bởi:

•   Vậy đốt nóng cực đại xảy ra ở đâu?

•  Có thể tìm được bằng cách lấy đạo hàm mức độ hấp thụ theo

độ dày quang học và cho bằng 0:

≠ 0 τ/µ = 1

as abs s

abs

max

Hk

cos P

•  áp suất tại mực hấp thụ cực đại tỷ lệ nghịch với khối lượng chất hấp thụ trên một đơn vị diện tích bề mặt Hρas và hệ số hấp thụ kabs

|   Tốc độ đốt nóng liên quan với sự hấp thụ năng lượng bức xạ đi xuống :

z

F c

1 t

T

p

∂ ρ

=

∂

∂

F c

M k

t

T

p

a abs

rad = µ

∂

∂

•   Nếu Ma không phụ thuộc vào độ cao, thì tốc

độ đốt nóng sẽ tỷ lệ với chính thông lượng

bức xạ mà thông lượng này có giá trị lớn

nhất tại biên ngoài khí quyển

•   Đây là trường hợp phân tử oxy và nitơ

trong khí quyển trên cao hấp thụ bức xạ cực

tím, làm cho tốc độ đốt nóng cực đại đạt

được ở độ cao lớn (giải thích cho sự tăng

nhanh của nhiệt độ theo độ cao trong tầng

nhiệt quyển)

•   Đối với ozone, tỷ số xáo trộn của nó đạt cực

đại rõ trong tầng bình lưu, nên tốc độ nóng

lên cũng sẽ có cực đại ở đây (~50km)

Cần chú ý

|   Sự hấp thụ đã xét ở trên là hấp thụ bức xạ mặt trời

|   Dòng bức xạ mặt trời suy giảm theo qui luật hàm mũ

dọc theo đường truyền

Mức độ hấp thụ được Mức độ hấp thụ được xác định bởi

He

FF

dz

dF

kdz

µ

=µ

τ

−

=µ

3.7 Phương trình truyền bức xạ hồng ngoại: Sự hấp

thụ và phát xạ

song mà dưới đó trái đất cũng được xem như là một mặt phẳng

cao

nhiệt độ và độ ẩm, vì khí quyển khá mỏng so với bán kính trái đất

của mây mà kích thước ngang tương đương với kích thước thẳng đứng của chúng

|   Sự biến thiên của dòng

bức xạ đi lên phụ thuộc và

quãng đường ds mà không phải là độ cao dz

|   ở đây cũng sẽ xét dòng

bức xạ trong góc khối dw

|   Biến đổi cường độ dọc theo quãng

đường ds bằng lượng phát xạ từ các chất khí dọc theo ds trừ đi lượng hấp thụ:

dIν = Eν - Aν

|   Sự hấp thụ có thể được giả thiết tuân

theo định luật Lambert - Bouguet - Beer:

dIν = Eν - ρa.ds.kν.Iν

và cường độ bức xạ trong bình kín ở điều kiện cân

bằng

•  Cường độ phát xạ cho bởi định luật Planck

•  => Lượng phát xạ có thể được viết

•  Eν = εν.Bν(T)

•  εν = ρads.kν

dIν = Eν - Aν = ρa.ds.kν.(Bν(T) - Iν)

|   lấy giới hạn dz đủ nhỏ ta nhận

được phương trình truyền bức xạ:

(Định nghĩa độ dày quang học)

= τ

T ( B (

k dz

dI cos θ ν = ρa v v − v

•  Dạng khác của phương trình truyền bức xạ

)),z((

I)))

z((

T(

Bd

)),z((

ν

ν ν

v v

/ ) z ( v

v e ))).

z ( (

T ( B e

), z (

I d

|   Lấy tích phân từ bề mặt (độ dày quang học bằng 0) đến

độ cao tuỳ ý (ở đó ta muốn tính cường độ hướng lên trên, nơi có độ dày quang học bằng τν(z)) ta được phương

trình Schwarzchild :

, v v

, v

, v v

) z (

0

1

v v

v v

d ) / )) z ( exp((

)).

z ( (

T ( B

) / ) z ( exp(

).

, 0 ( I )

), z ( (

I

τ µ

τ

− τ τ

µ +

+ µ τ

− θ

= µ τ

tại độ cao z, giảm do sự

tiêu tán dọc theo đường

đi từ bề mặt đến độ cao z

Tổng lượng phát xạ từ tất cả các lớp khí quyển nằm phía dưới mực z, tới được mực z mà

không bị hấp thụ

Biến đổi cường độ bức xạ dọc theo ds

Kết quả trước:

Chuyển về z:

Định nghĩa độ dày quang học từ bề mặt lên:

Kết quả viết theo hệ tọa độ độ dày quang học:

Kết quả trước :

Nhân với nhân tố tích phân và biến đổi lại eτn /µ

•  Lấy tích phân từ bề mặt (độ dày quang học bằng 0) đến

độ cao tuỳ ý (ở đó ta muốn tính cường độ hướng lên

, v v

, v

, v v

) z (

0

1

v v

v v

d ) / )) z ( exp((

)).

z ( (

T ( B

) / ) z ( exp(

).

, 0 ( I )

), z ( (

I

τ µ

τ

− τ τ

µ +

+ µ τ

− θ

= µ τ

∫

ν

τ

−

|   Bức xạ đi lên tại mỗi mực cho trước có sự đóng góp từ

bề mặt và từ mỗi lớp khí quyển phía dưới

|   Những đóng góp này bị chi phối bởi profile thẳng

τ

Tổng phát

xạ từ mỗi lớp khí quyển

Lấy tỷ trọng bởi độ

hấp thụ chia cho

độ phát xạ của mỗi lớp nằm giữa

3.7.2 Các dạng thông lượng đơn giản của nghiệm

phương trình truyền bức xạ

|   Tích phân phương trình Schwarzchild trên toàn bộ các góc ta nhận

được biểu thức đối với các dòng bức xạ đi lên và đi xuống:

Dòng đi lên:

Dòng đi xuống :

Phát xạ của vật đen

(phụ thuộc vào nhiệt độ) Hàm truyền

vào hàm truyền của dòng J(z',z)

•  Hàm truyền J(z',z), là phần của

dòng năng lượng tổng cộng của

trái đất có thể xuyên qua được

lớp nằm giữa các độ cao z và z'

mà không bị hấp thụ

•  Hàm truyền luôn luôn nằm giữa

0, tức dòng không truyền qua

được, và 1, tức dòng truyền qua được hoàn toàn

•  Hàm truyền tiệm cận đến 1 khi hai độ cao tiến sát lại gần nhau một cách tuỳ ý

•  Khi hai độ cao dịch chuyển xa nhau ra thì hàm truyền giảm với tốc độ (rate) phụ thuộc vào lượng chất hấp thụ giữa chúng

Dòng đi lên:

Dòng đi xuống:

Tại mực z, mật độ dòng liên quan với

phát xạ bề mặt bị giảm xuống tới

J(z S ,z) phần giá trị bề mặt của nó

Đóng góp vào dòng đi lên

từ khí quyển phía dưới mực z

Đóng góp vào dòng đi xuống tại mực z

từ khí quyển phía trên mực này

Dòng bức xạ trái đất thuần và sự đốt nóng

|   OLR và IR đi xuống tại bề mặt phụ thuộc vào

profile nhiệt độ và hàm truyền

Bức xạ trái đất thuần (IR) tại mực z

Tốc độ đốt nóng

OLR tại TOA

IR tại bề mặt

σ +

∞ σ

=

∞

1

) , z ( J

4 s

4 s

s

) , z ( dJ )

z ( T ,

z J T )

( F

Đóng góp từ các lớp khí quyển phía dưới

s

4 s

s

) z , z ( dJ ) z ( T )

z ( F

Phát xạ sóng dài xuống bề mặt = Đóng góp từ các lớp khí quyển phía trên

•  Trong điều kiện trung bình của trái đất, chỉ có một

lượng nhỏ phát xạ từ bề mặt là có thể thoát được vào không gian vũ trụ

•  H ầu hết OLR bắt nguồn từ trong tầng đối lưu tại các

mực mà nhiệt độ nhỏ đáng kể so với nhiệt độ bề mặt

Hàm truyền và sự đốt nóng

|   Các dòng IR đi lên và đi

xuống như là trung bình có trọng lượng của sT 4 mà hàm trọng lượng là hàm truyền

|   Sự biến thiên của hàm truyền

theo độ cao đóng vai trò là

hàm trọng lượng

|   Dòng IR đi xuống tại bề mặt

xuất phát từ tầng đối lưu dưới

|   Dòng IR đi lên tại TOA xuất

phát từ tầng đối lưu giữa và tầng đối lưu trên

|   Đây là cơ sở của “hiệu ứng

nhà kính”

Các profile thẳng đứng của hàm

truyền phát xạ sóng dài của khí

quyển và nhiệt độ khí quyển