Thời tiết và khí hậu - Phần 1 Năng lượng và khối lượng - Chương 3 ppsx

Các chất khí của khí quyển không phải đều hiệu quả nh‡ nhau trong hấp thụ ánh sáng Mặt Trời, v các b‡ớc sóng bức xạ khác nhau không bị hấp thụ nh‡ nhau.. Bức xạ cận hồng ngoại, nó thể h

Ch €ơng 3

Sáng sớm ngy 24/10/1998, xoáy thuận nhiệt đới Mitch vừa mạnh lên thnh một trận bão thực sự ở phía tây Đại Tây D‡ơng Mặc dù các nh dự báo tin chắc xoáy thuận sẽ mạnh lên tiếp v di chuyển về phía tây, song không ai biết rằng trong ít ngy Mitch có thể trở thnh một trận bão tồi tệ nhất tấn công vùng Trung

Mỹ kể từ năm 1780 Mức độ phá hủy tổng cộng của nó khó m đánh giá Con số tổn thất sinh mạng chính xác từ bão Mitch sẽ không bao giờ đ‡ợc biết, song có lẽ đâu đó khoảng 9 000 v 18 000 ng‡ời Gió giật cỡ hơn 320 km/h v l‡ợng m‡a hơn 50 cm đã

lm trơ trụi nhiều lng mạc Nơi chịu đựng tồi tệ nhất l Honduras, hơn 20 % dân c‡ đất n‡ớc ny bỗng d‡ng trở thnh vô gia c‡ Vùng núi của Nicaragoa bị thiệt hại

đặc biệt nặng nề bởi những trận tr‡ợt đất phá hoại tn bạo Một nông dân, tên lJosé Morales, kể lại trải nghiệm của mình với một trong những vụ tồi tệ nhất, vụ

tr‡ợt đất Casitas ở tây bắc Nicaragoa: “Đó l một khối cầu đất v cây cối v lập tức tôi không còn có thể nhìn thấy nh cửa nữa” (xem hình 3.1)

Hình 3.1 ảnh vệ tinh bão Mitch, trận bão t †n khốc nhất tr†n tới Trung Mỹ cuối thế kỷ 20

Nỗi thống khổ do bão Mitch vẫn tiếp tục Các quốc gia bị hại của khu vực đã phải chống chọi với nguy cơ bệnh tả, sốt rét v bệnh sốt nhiệt đới - không kể nạn

đói honh hnh do mùa mng bị phá hoại ở Hoduras khoảng 70 % mùa mng bị phá hoại v một tỉ lệ t‡ơng tự cơ sở hạ tầng giao thông bị triệt phá Một số chuyên gia cứu nạn đ㠇ớc tính rằng sẽ cần 15 đến 20 năm tr‡ớc khi những hậu quả của trận bão đ‡ợc khắc phục hon ton

Giống nh‡ những trận bão mạnh khác, Mitch trn tới một diện tích lớn hơn một phần t‡ triệu km2, kéo di gần một tuần, xả xuống hng triệu tấn n‡ớc m‡a vgió hung dữ cuốn phăng cả những lng mạc Một hoạt động nh‡ thế đòi hỏi l‡ợngnăng l‡ợng khổng lồ, v nh‡ chúng ta đã thấy ở ch‡ơng 2, bức xạ Mặt Trời cung cấp tất cả những năng l‡ợng đó Nh‡ng câu chuyện ch‡a phải đã hết, bởi vì phần lớn năng l‡ợng chứa trong khí quyển không tích lũy bằng cách hấp thụ trực tiếp

bức xạ Mặt Trời Ng‡ợc lại, phần lớn năng l‡ợng có đ‡ợc một cách gián tiếp từ Mặt

Trời sau khi đã bị hấp thụ tr‡ớc nhất bởi bề mặt Trái Đất Từ đây, một số quá trình kết hợp với nhau để vận chuyển năng l‡ợng hấp thụ ny vo khí quyển Trong

ch‡ơng ny chúng ta xem xét sự vận chuyển năng l‡ợng đó, nó cung cấp nhiên liệu cho những hiện t‡ợng thời tiết hng ngy v những sự kiện tai họa nh‡ bão Mitch

ảnh h ~ởng của khí quyển đối với bức xạ tới

Bức xạ Mặt Trời đạt tới đỉnh của khí quyển không đi qua khí quyển một cách không bị cản trở, m ng‡ợc lại, bị suy yếu bởi rất nhiều quá trình Khí quyển hấp thụ một phần bức xạ một cách trực tiếp v do đó thu đ‡ợc nhiệt Một phần khác tiêu tán mất nh‡ những tia yếu hơn đi ra theo nhiều h‡ớng khác nhau thông qua một quá trình gọi l tán xạ Một số bức xạ tán xạ h‡ớng trở lại không gian; phần còn lại bị tán xạ h‡ớng tới nh‡ l ánh sáng m chúng ta nhìn thấy từ phần bầu trời

ở xa đĩa Mặt Trời Trong mọi tr‡ờng hợp, phần năng l‡ợng tán xạ không bị hấp thụ bởi khí quyển v do đó không góp phần lm nóng nó

Bức xạ tới còn lại không bị hấp thụ v tán xạ v đi qua khí quyển không bị biến đổi, đạt tới bề mặt với t‡ cách l bức xạ trực tiếp Nh‡ng không phải tất cả năng l‡ợng đạt tới bề mặt đ‡ợc hấp thụ Ng‡ợc lại, một bộ phận bị tán xạ trở lại vo không gian v giống nh‡ bức xạ bị tán xạ bởi khí quyển, nó không góp phần

lm nóng hnh tinh

Các quá trình ny - hấp thụ, tán xạ v vận chuyển bức xạ Mặt Trời - trực tiếp

ảnh h‡ởng tới phân bố nhiệt độ trong ton khí quyển Chúng cũng giải thích một số hiện t‡ợng khí quyển đáng quan tâm th‡ờng ngy nh‡ bầu trời xanh lam trong một ngy quang mây hay sắc đỏ của một buổi hong hôn Trong mục ny, chúng ta khám phá những quá trình tác động tới bức xạ tới

Hấp thụ

Các chất khí khí quyển, các hạt li ti v những giọt m‡a đều lm suy giảm c‡ờng độ của bức xạ tới bằng hấp thụ Điều quan trọng phải l‡u ý l hấp thụ thể hiện sự truyền năng l‡ợng cho vật hấp thụ Sự truyền ny có hai hệ quả: vật hấp

thụ nhận đ‡ợc năng l‡ợng v nóng lên, trong khi l‡ợng năng l‡ợng cung cấp cho bề mặt bị giảm

Các chất khí của khí quyển không phải đều hiệu quả nh‡ nhau trong hấp thụ

ánh sáng Mặt Trời, v các b‡ớc sóng bức xạ khác nhau không bị hấp thụ nh‡ nhau Thí dụ, bức xạ cực tím gần nh‡ bị hấp thụ hon ton bởi ôzôn trong bình l‡u quyển Ng‡ợc lại, bức xạ nhìn thấy đi qua khí quyển chỉ với một l‡ợng hấp thụ cực tiểu

Điều ny có một hệ quả không phải nhỏ, bởi vì nếu nh‡ khí quyển có khả năng hấp

thụ tất cả năng l‡ợng Mặt Trời đi đến, thì bầu trời sẽ tối hon ton Các loại ánh sáng nhân tạo sẽ l vô ích, bởi vì bức xạ của chúng chắc chắn sẽ bị hấp thụ Chính thực tế chúng ta có thể nhìn thấy những khoảng cách lớn mách bảo rằng khí quyển không phải l vật đặc biệt giỏi hấp thụ bức xạ nhìn thấy, một ấn t‡ợng rất đúng Bức xạ cận hồng ngoại, nó thể hiện gần một nửa bức xạ do Mặt Trời phát ra, bị hấp thụ chủ yếu bởi hai chất khí trong khí quyển - hơi n‡ớc v (ở mức độ kém hơn) cacbon điôxit Đó l lý do vì sao ánh sáng Mặt Trời trực tiếp ở vùng hoang mạc có cảm giác nóng nh‡ vậy, còn bóng râm thì rất dễ chịu, trong khi sự khác biệt nhiệt

độ biểu kiến d‡ới ánh sáng trực tiếp v d‡ới bóng râm l t‡ơng đối nhỏ ở các vùng

ẩm Khi độ ẩm cao, hơi n‡ớc hấp thụ một phần lớn bức xạ cận hồng ngoại, do đó

lm giảm l‡ợng năng l‡ợng khả năng lm nóng da chúng ta Trong những ngykhô, sụ thiếu hụt hơi n‡ớc cho phép một l‡ợng lớn hơn bức xạ cận hồng ngoại xuyên qua khí quyển v lm tăng nhiệt độ da bạn

dụ, một chiếc áo sơ mi sẽ có mu xanh lam nếu nó phản xạ hiệu quả nhất các b‡ớcsóng ở vùng xanh lam của phổ

ánh sáng có thể bị phản xạ từ một bề mặt theo hai cách khác nhau Khi ánh sáng chạm vo một cái g‡ơng, nó bị phản xạ lại nh‡ một chùm cùng c‡ờng độ,

ng‡ời ta gọi l phản xạ g€ơng Ng‡ợc lại, khi một chùm bị phản xạ từ một vật

nh‡ một số lớn các tia yếu hơn truyền trong nhiều h‡ớng khác nhau, ng‡ời ta gọi l

phản xạ tản mạn hay tán xạ Khi tán xạ xảy ra, bạn không thể nhìn thấy ảnh

của chính mình trên bề mặt phản xạ nh‡ bạn có thể nhìn thấy trong một chiếc

g‡ơng Do đó, mặc dù một bề mặt tuyết t‡ơi có thể phản xạ trở lại phần lớn ánh

sáng nhìn thấy đi tới nó, bạn không thể nhìn ngắm mình bằng cách nhìn vo tuyết

Đại đa số các bề mặt tự nhiên l bề mặt phản xạ tản mạn chứ không phải l bề mặt phản xạ g‡ơng

Ngoi rất nhiều bề mặt chất rắn, các phân tử khí, các hạt li ti v những giọt

n‡ớc nhỏ tán xạ bức xạ Hơn nữa, mặc dù nhiều bức xạ bị tán xạ trở lại không gian, thì cũng nhiều bức xạ bị đổi h‡ớng về phía bề mặt Năng l‡ợng tán xạ đạt tới bề mặt Trái Đất do đó l bức xạ tản mạn, nó khác với bức xạ trực tiếp không tản mạn Hình 3.2 minh họa quá trình tán xạ v biến đổi bức xạ trực tiếp thnh bức xạ tán xạ Bạn có thể xét quá trình ny theo cách nh‡ sau: tập hợp bức xạ trực tiếp lcái tạo nên các bóng râm, còn một bề mặt trong bóng râm của bức xạ trực tiếp không tối hon ton, bởi vì nó đ‡ợc chiếu sáng bởi bức xạ tán xạ Hãy l‡u ý rằng dù

đ‡ợc thực hiện bởi một phân tử khí, hạt li ti hay giọt n‡ớc, song kết quả vẫn l một quá trình tán xạ, trong đó bức xạ bị đổi h‡ớng chứ không bị hấp thụ

Các đặc tr‡ng của bức xạ bị tán xạ

bởi khí quyển phụ thuộc vo kích th‡ớc

của những tác nhân tán xạ (các phân tử

không khí hoặc các hạt lơ lửng) so với

b‡ớc sóng của năng l‡ợng điện từ đi tới

Tồn tại ba loại tán xạ rất phổ biến: tán

nhau tới tất cả các b‡ớc sóng của bức xạ

Mặt Trời; ng‡ợc lại, nó thiên về phía các

b‡ớc sóng ngắn hơn Tán xạ Rayleigh

đặc biệt hiệu quả đối với ánh sáng nhìn

nhìn thấy, đặc biệt với những ánh sáng

Hình 3.2 Tán xạ l † quá trình trong đó một chùm tia bức xạ bị chia th †nh nhiều tia yếu hơn định h ~ớng lại trong nhiều h~ớng khác

có mu nh‡ các b‡ớc sóng ngắn nhất, cho nên ánh sáng xanh lam bị tán xạ bởi các phân tử không khí hiệu quả hơn ánh sáng đỏ với b‡ớc sóng di hơn Ngoi ra, tán xạ Rayleigh lm tản mát bức xạ theo cả hai h‡ớng tiến lên tiếp v quay trở lại Kết hợp với độ hiệu quả lớn của nó khi tán xạ các b‡ớc sóng ngắn, đặc điểm ny dẫn

đến ba hiện t‡ợng lý thú: bầu trời xanh lam trong ngy quang mây, sắc xanh lam của khí quyển khi nhìn từ khoảng không bên ngoi v sắc đỏ của những khoảnh khắc hong hôn v bình minh

Hình 3.3 minh họa tán xạ Rayleigh tạo ra một bầu trời xanh lam nh‡ thế no.Khi những chùm tia bức xạ song song đi vo khí quyển, một phần ánh sáng bị đổi

h‡ớng so với h‡ớng ban đầu của nó Một ng‡ời nhìn lên phía trên, không theo

h‡ớng của Mặt Trời, có thể nhìn thấy một số ánh sáng tán xạ đã bị đổi h‡ớng về phía ng‡ời quan sát Vì ánh sáng xanh lam thuộc loại ngắn nhất trong các b‡ớcsóng nhìn thấy (v do đó dễ bị tán xạ nhất), bức xạ tán xạ chứa một tỉ phần ánh sáng xanh cao hơn so với các ánh sáng vng, lục hay các b‡ớc sóng di hơn khác Tán xạ Rayleigh diễn ra tại mọi điểm trong khí quyển trong suốt v h‡ớng năng l‡ợng tới một ng‡ời quan sát từ tất cả các h‡ớng, cho nên bất kể bạn nhìn lên từ

đâu trong một ngy quang mây thì bầu trời vẫn l mu lam Dĩ nhiên, không phải tất cả bức xạ tới bị tán xạ trong một ngy trời quang Thật vậy, l‡ợng bức xạ tán xạ nhận đ‡ợc tại bề mặt trong điều kiện trời không mây th‡ờng bằng khoảng một phần m‡ời l‡ợng bức xạ trực tiếp

Hình 3.3 Bầu trời có m †u lam vì các khí v† hạt li ti trong khí quyển tán xạ

một phần bức xạ Mặt Trời tới theo tất cả các h ~ớng Các phân tử không khí

tán xạ những b ~ớc sóng ngắn hơn hiệu quả hơn Ai đó trên mặt đất nhìn lên

trời tiếp nhận ánh sáng lam, b ~ớc sóng ngắn nhất của phần phổ nhìn thấy

Trên Mặt Trăng, không có khí quyển, “bầu trời” thnh ra mu đen (hình 3.4) Khi một ng‡ời quan sát nhìn về phía chân trời lên phía Mặt Trăng, không có ánh sáng tán xạ xuống phía d‡ới, bởi vì không có khí quyển v bầu trời hiện ra không khác mấy với bầu trời đêm Tất cả những gì có thể nhìn thấy đ‡ợc chỉ l năng l‡ợngphản xạ từ bề mặt Mặt Trăng v Trái Đất

Cùng một quá trình dẫn tới bầu trời lam khi nhìn từ mặt đất cũng tạo nên sắc lam của khí quyển khi nhìn từ khoảng không vũ trụ Giống nh‡ tán xạ h‡ớng tới, tán xạ ng‡ợc trở lại thiên về phía các b‡ớc sóng xanh lam, nên bức xạ tản mát

h‡ớng ng‡ợc trở lại khoảng không cũng có mu lam

Tán xạ Rayleigh còn l nguyên nhân của mu đỏ của bình minh v hong hôn

nh‡ có thể thấy trên hình 3.5 Hình 3.5 cho thấy điều ny đã diễn ra nh‡ thế no.Khi Mặt Trời đang ở gần chân trời, ánh sáng Mặt Trời phải đi một khoảng cách lớn hơn qua khí quyển so với lúc giữa tr‡a v quãng đ‡ờng xa hơn lm tăng l‡ợng tán xạ Rayleigh Vì chùm tia trực xạ phải đi quãng đ‡ờng di của nó, những b‡ớc sóng ngắn nhất của bức xạ bị suy kiệt, còn các b‡ớc sóng di hơn chiếm tỉ phần tăng lên trong ánh sáng trực xạ Bầu trời ở lân cận Mặt Trời vì thế m có sắc đỏ do các ánh sáng lục v lam (b‡ớc sóng ngắn hơn) bị suy kiệt

Hình 3.4 Cảnh Trái Đất đang lên do các du h †nh gia của Apollo 11 nhìn thấy Mặc dù ảnh

n †y chụp ban ng†y, Mặt Trăng không có bầu trời xanh Đó l† do ở đó không có khí quyển để tán xạ bức xạ tới từ Mặt Trời Hãy để ý sắc lam của Trái Đất, hệ quả của sự tán xạ Rayleigh

Tán xạ Mie Các chuyển động thẳng đứng trong khí quyển t‡ơng đối mạnh nên khí quyển luôn chứa những hạt son khí lơ lửng Điều ny đúng không chỉ ở các

thnh phố, nơi có xu thế nồng độ ô nhiễm không khí cao hơn, m còn ở những vùng nông thôn cách xa với các hoạt động đô thị Các hạt son khí vi mô lớn hơn nhiều so với các phân tử không khí v chúng tán xạ ánh sáng bằng một quá trình gọi l tán xạ Mie Khác với tán xạ Rayleigh, tán xạ Mie chủ yếu về phía tr‡ớc, chỉ lm cho một l‡ợng năng l‡ợng t‡ơng đối nhỏ quay ng‡ợc lại khoảng không Ngoi ra, tán xạ Mie gần nh‡ không có xu h‡ớng tán xạ bức xạ b‡ớc sóng ngắn nh‡ tán xạ Rayleigh

Do đó, vo những ngy có s‡ơng hay ô nhiễm cao (khi nồng độ son khí cao) bầu trời trở nên xám, vì ton bộ phần nhìn thấy của phổ bị tán xạ một cách hiệu quả về phía mặt đất

Tán xạ Mie cng lm cho bình minh v hong hôn trở nên đỏ hơn so với khi chỉ

do tán xạ Rayleigh, cho nên các đợt ô nhiễm không khí nặng dẫn tới những buổi

hong hôn rất ngoạn mục (hình 3.6) Các vụ cháy có thể cng lm cho tán xạ Mie tăng c‡ờng hơn nữa C‡ dân miền tây n‡ớc Mỹ tận mắt thấy đ‡ợc hiện t‡ợng ny

khi nhiều vụ cháy lớn thiêu trụi khắp khu vực vo mùa hè năm 2002 Nếu một vụ cháy đủ lớn, tán xạ Mie có thể tăng lên ở những khoảng cách rộng theo chiều gió Thí dụ năm 1998, hỏa hoạn ở Công viên Quốc gia Yosemite lm rực đỏ bầu trời tới tận Minneapolis, Minnesota Các vụ phun tro núi lửa, nh‡ vụ lớn ở Pinatubo năm

1991, thậm chí có thể lm thẫm mu đỏ của bình minh v hong hôn trên khắp bán cầu, vì gió trên bình l‡u quyển mang các son khí đi rất xa nguồn của chúng

Hình 3.5 Bình minh v† ho†ng hôn có m†u đỏ vì ánh sáng Mặt Trời đi qua quãng đ~ờng d†i hơn trong khí quyển, gây nên tán xạ mạnh, loại bỏ các b~ớc sóng ngắn khỏi chùm tia bức xạ tới Kết quả l† ánh sáng Mặt Trời chứa gần nh~ to†n l† các b~ớc sóng d†i (đỏ)

Hình 3.6 Tán xạ các b~ớc sóng ngắn l†m tăng m†u đỏ của bình minh v† ho†ng hôn trong những thời kỳ nồng độ hạt li ti cao trong khí quyển

Tán xạ không chọn lọc Các giọt n‡ớc trong mây lớn hơn nhiều so với những hạt li ti lơ lửng; do đó chúng tán xạ ánh sáng theo một cách khác nữa, ít hoặc nhiều giống nh‡ các lăng kính Một giọt n‡ớc biệt lập tác động tới các b‡ớc sóng khác nhau của bức xạ Mặt Trời một cách khác nhau Bạn nhìn thấy điều ny khi nobạn đ‡ợc chứng kiến một cầu vồng, nó lm cho từng b‡ớc sóng bị khúc xạ (đổi

h‡ớng) một l‡ợng khác nhau, từ đó có những băng mu riêng Tuy nhiên, về tổng thể mây phản xạ tất cả các b‡ớc sóng của bức xạ tới gần nh‡ nhau, đó l nguyên nhân mây thnh ra có mu trắng hoặc xám Bởi vì không ‡u tiên cho một b‡ớc sóng

cụ thể no, sự tán xạ của mây đôi khi đ‡ợc gọi l tán xạ không chọn lọc.

Mây còn l tác nhân quan trọng nhất tán xạ không chọn lọc v có một ảnh

h‡ởng to lớn tới quá trình nhận bức xạ Mặt Trời trên ton cầu, vì nó phản xạ một l‡ợng năng l‡ợng rất lớn trở lại khoảng không vũ trụ

Ng‡ợc lại, khi trời nhiều mây hay s‡ơng mù, chỉ một phần nhỏ bức xạ Mặt Trời đạt tới mặt đất nh‡ l trực xạ Trong những điều kiện đó, tổng l‡ợng bức xạ đạt tới mặt

đất thì bị suy giảm, đồng thời trực xạ chuyển thnh bức xạ tản mát hay tán xạ

Số phận của bức xạ Mặt Trời

Vì quỹ đạo Trái Đất quanh Mặt Trời không phải hon ton tròn nên có chút ít biến thiên mùa về l‡ợng bức xạ tới khả năng, năng l‡ợng Mặt Trời khả năng vo kỳ cận điểm nhiều hơn khoảng 7 % so với kỳ viễn điểm Bất chấp sự biến thiên đó, sẽ

l tiện lợi nếu chúng ta coi bức xạ tới đỉnh khí quyển l không đổi v xem điều gì sẽ xảy ra, về trung bình, với khoản năng l‡ợng đó Nói cách khác, chúng ta phải tính toán l‡ợng bức xạ t‡ơng đối truyền qua khí quyển, bị hấp thụ bởi khí quyển v mặt

đất v bị tán xạ trở lại khoảng không

Một công việc nh‡ thế quan trọng hơn một hoạt động kế toán đơn thuần, bởi vì

l‡ợng bức xạ bị hấp thụ bởi khí quyển v mặt đất sẽ ảnh h‡ởng lớn tới nhiệt độ của khí quyển v mặt đất Để đơn giản, chúng ta chấp nhận 100 đơn vị bức xạ tới có mặt tại đỉnh khí quyển v sau đó so sánh l‡ợng năng l‡ợng tán xạ ng‡ợc trở lại khoảng không v bị hấp thụ bởi khí quyển v mặt đất với 100 đơn vị đó Luôn nhớ rằng, những giá trị đ‡ợc biểu diễn trong lập luận ny l các giá trị trung bình năm

v ton cầu; nó không cần áp dụng đối với một nơi hay một thời gian no cụ thể (xem hình 3.7)

Về trung bình ton cầu, khí quyển hấp thụ 25 trong số 100 đơn vị hiện có tại

đỉnh khí quyển 7 trong số 25 đơn vị l bức xạ cực tím bị hấp thụ trong bình l‡u

quyển bởi ôzôn, phần lớn còn lại l bức xạ cận hồng ngoại bị hấp thụ trong đối l‡uquyển bởi các chất khí (chủ yếu hơi n‡ớc) Vậy phần lớn bức xạ hấp thụ bởi khí quyển không phải l bức xạ nhìn thấy - một tình thế có lợi với chúng ta, bởi vì nếu

nh‡ bức xạ nhìn thấy bị hấp thụ mạnh bởi khí quyển, thì chúng ta khó m nhìn

đ‡ợc Phải nhận xét thêm rằng t‡ơng đối ít bức xạ sóng ngắn bị hấp thụ bởi mây;

ng‡ợc lại, mây tác động đến bức xạ tới chủ yếu thông qua sự tán xạ v phản xạ

Hình 3.7 Bức xạ Mặt Trời tới khả năng chịu tác động của một số quá trình khi nó đi qua khí quyển Mây v † các khí khí quyển phản xạ tuần tự 19 v† 6 đơn vị trở lại khoảng không Khí quyển hấp thụ 25 đơn vị Chỉ một nửa bức xạ tới khả năng tại đỉnh khí quyển thực sự đạt tới mặt đất, từ đó 5 đơn vị nữa bị phản xạ ng ~ợc lại Bức xạ ròng do mặt đất hấp thụ l† 45 đơn vị

Tuy các giọt n‡ớc mây hấp thụ bức xạ sóng ngắn t‡ơng đối kém hiệu quả, chúng tán xạ trở lại một tỉ phần lớn năng l‡ợng tới Mây có albeđô cao không những lm cho nó đ‡ợc nhìn thấy rõ thậm chí từ trong vũ trụ, m còn lm giảm mạnh

l‡ợng năng l‡ợng khả năng lm nóng khí quyển v bề mặt Về trung bình, thảm mây ton cầu phản xạ 19 đơn vị bức xạ tới trở lại vũ trụ Nh‡ng mây không phải ltác nhân phản xạ duy nhất Lấy trung bình ton cầu, các chất khí khí quyển v son khí tán xạ ng‡ợc lại vo vũ trụ 6 trong số 100 đơn vị bức xạ tới tại đỉnh khí quyển, trong đó tán xạ Rayleigh quan trọng hơn tán xạ Mie (bởi vì tán xạ Mie chủ yếu

h‡ớng xuống phía d‡ới hơn l h‡ớng trở lại vũ trụ) Tổng cộng, tán xạ bởi mây vcác chất khí trả lại vũ trụ 25 đơn vị (tức chúng lm cho khí quyển có albeđô =25 %) Sau khi khí quyển hấp thụ v tán xạ, 50 đơn vị bức xạ tới có thể đạt tới bề mặt

Nh‡ng không phải tất cả bức xạ đạt tới bề mặt đ‡ợc hấp thụ, bởi vì bề mặt Trái Đất không phải đen tuyệt đối Trong số 50 đơn vị xuống tới bề mặt, 5 đơn vị bị quay trở lại khoảng không Tổng cộng có tất cả 30 đơn vị bức xạ Mặt Trời đ‡ợc phát tán trở lại vũ trụ (25 từ khí quyển v 5 từ bề mặt), dẫn tới một albeđô hnh tinh l 30 % Hãy l‡u ý l l‡ợng bức xạ tới bị phản xạ từ mặt đất hơi nhỏ hơn l‡ợng bị phát tán trở lại bởi các chất khí khí quyển Nói cách khác, khi nhìn từ vũ trụ, hnh tinh của chúng ta sáng l nhờ phản xạ khí quyển hơn l nhờ phản xạ mặt đất

Kết quả cuối cùng của các quá trình ny l khí quyển hấp thụ 25 đơn vị năng

l‡ợng, còn mặt đất nhận lấy 45 đơn vị Nếu nh‡ câu chuyện chỉ có thế, tất cả chúng

ta sẽ bị nguy to, bởi vì sự cung ứng nhiệt không đổi sẽ lm cho hnh tinh liên tục nóng lên Thật vậy, nếu nh‡ nguồn năng l‡ợng ny đ‡ợc tích lũy trong một lớp vi

cm bên trên bề mặt Trái Đất, thì mặt đất sẽ bị nung nóng với tốc độ vi trăm độ bách phân trong một ngy!

Rõ rng chúng ta không thấy các đại d‡ơng bị sôi lên, m mặt đất thì cũng không bị nóng chảy ra; vậy thì bề mặt phải không ngừng lm mất năng l‡ợng Khí quyển cũng thế, v đối với ton bộ hệ thống Trái Đất - khí quyển cũng thế Nói cách khác, trong điều kiện không có biến đổi khí hậu, thì bề mặt, khí quyển v hệ thống hnh tinh phải lm mất nhiều năng l‡ợng nh‡ chúng đã nhận đ‡ợc Để đạt đ‡ợc sự cân bằng năng l‡ợng đó, những l‡ợng năng l‡ợng khổng lồ phải đ‡ợc vận chuyển ra khỏi hệ thống Trái Đất, v trong phạm vi hệ thống giữa bề mặt v khí quyển Bây giờ chúng ta bn đến những cơ chế liên quan tới việc duy trì cân bằng năng l‡ợngcủa Trái Đất

Những quá trình truyền năng l ~ợng giữa bề mặt v† khí quyển

Khí quyển v bề mặt không ngừng trao đổi năng l‡ợng với nhau Phần lớn quá trình trao đổi năng l‡ợng đó đ‡ợc thực hiện bằng phát xạ v hấp thụ bức xạ, nh‡ngcác quá trình khác cũng quan trọng Mục ny mô tả những quá trình m thông qua chúng năng l‡ợng đ‡ợc truyền đi

Trao đổi bức xạ bề mặt - khí quyển

Giống nh‡ tất cả những vật thể khác có nhiệt độ nằm trong phạm vi nhiệt độ Trái Đất, bề mặt Trái Đất v khí quyển phát năng l‡ợng gần nh‡ hon ton ở vùng sóng di (chủ yếu l nhiệt hồng ngoại) Mọi bn luận về vận chuyển năng l‡ợngsóng di đều có phần phức tạp hơn so với bn luận về bức xạ Mặt Trời, bởi vì năng

l‡ợng sóng di không có điểm đầu hay điểm cuối rõ rệt

Bức xạ sóng di do bề mặt Trái Đất phát xạ bị hấp thụ mạnh bởi khí quyển

Điều đó lm tăng nhiệt độ của khí quyển v lm cho khí quyển cng phát xạ nhiều năng l‡ợng hơn ra ngoi khoảng không Năng l‡ợng do khí quyển phát xạ đ‡ợctruyền trong tất cả các h‡ớng, kể cả h‡ớng xuống phía d‡ới, v do đó, bề mặt nhận

đ‡ợc một phần đáng kể năng l‡ợng ny Quá trình ny lại lm bề mặt đ‡ợc nung nóng tiếp, lại dẫn tới tăng phát bức xạ sóng di từ bề mặt, khí quyển lại thu đ‡ợcnhiệt, v cứ thế tiếp diễn Nói cách khác, có một chu trình trao đổi vô tận, trong đó năng l‡ợng liên tục vận chuyển tới v lui

Hình 3.8 mô tả l‡ợng bức xạ sóng di trung bình ton cầu trao đổi giữa khí quyển v bề mặt Bắt đầu với bề mặt, chúng ta thấy rằng 104 đơn vị bức xạ sóng di đ‡ợc phát lên trên vo khí quyển, phần lớn nhất (100 đơn vị) bị hấp thụ bởi khí quyển Khí quyển trong sạch hấp thụ bức xạ nhiệt tốt hơn nhiều so với bức xạ Mặt Trời, chính l do sự có mặt của hơi n‡ớc v cacbonic Nh‡ đã thấy trên hình 3.9, cả hai chất khí ny đều l những vật hấp thụ tốt bức xạ sóng di, dải hấp thụ mạnh nằm ở phần sóng di của phổ (xem chuyên mục 3-1: Những nguyên lý vật lý: Sự hấp

thụ chọn lọc bởi hơi noớc vu khí cacbonic).

Hình 3.8 Sự di chuyển bức xạ sóng d†i giữa bề mặt v† khí quyển Bề mặt

phát 104 đơn vị lên khí quyển v† nhận 88 từ khí quyển, tổn thất ròng 16 đv

Khí quyển phát 154 đơn vị v† nhận 100 từ bề mặt, thiếu hụt ròng 54 đv

Hình 3.9 Bề mặt Trái Đất phát bức xạ gần giống vật đen (a), nh~ng các chất khí khí quyển hấp thụ phần lớn năng l ~ợng với b~ớc sóng ngo†i dải 8 đến 11μ m. Vùng bị tô đen ở (a) chỉ năng l~ợng bị khí quyển hấp thụ Hình (b) biểu diễn hiệu suất hấp thụ năng l~ợng của các chất khí cụ thể Tỉ lệ của vùng tô đen chỉ phần trăm của năng l~ợng sóng d†i bị hấp thụ

Mặc dù hơi n‡ớc, cacbonic v các chất khí nh kính khác l những chất hấp thụ tốt phần lớn các b‡ớc sóng của bức xạ sóng di, một phần của phổ sóng di có thể đi qua khí quyển một cách t‡ơng đối vô hại Điều rất lý thú l, các b‡ớc sóng

trong dải ny, 8 đến 12 mμ , lại trùng hợp với các b‡ớc sóng m bề mặt Trái Đất phát xạ mạnh nhất Dải b‡ớc sóng không bị các chất khí khí quyển hấp thụ ny

đ‡ợc gọi l cửa sổ khí quyển Không nên nghĩ rằng cửa sổ khí quyển l nơi khí quyển không có một số chất khí, nó chỉ l một dải b‡ớc sóng có tầm quan trọng đặc biệt đối với sự cân bằng bức xạ

Mặc dù các chất khí của khí quyển không hấp thụ hiệu quả những b‡ớc sóng trong cửa sổ khí quyển, nh‡ng mây (thậm chí với độ dy rất khiêm tốn) lại sẵn

sng hấp thụ gần nh‡ tất cả bức xạ sóng di Điều ny giải thích tại sao các đêm nhiều mây không bị lạnh nhanh nh‡ những đêm trời trong Khi bầu trời đêm bị phủ đầy mây, thảm mây hấp thụ một phần lớn năng l‡ợng m lẽ ra sẽ thoát vo vũ trụ Їợc nóng lên bởi năng l‡ợng đó, mây phát bức xạ sóng di xuống phía bề mặt

v những l‡ợng ít hơn lên trên vo khoảng không Nh‡ vậy, mây có tác dụng giống nh‡ một tấm chăn giúp giữ nhiệt

3-1 Những nguyên lý vật lý:

Sự hấp thụ chọn lọc của hơi n‡ớc v khí

cacbonic

Hơi n‡ớc v cacbonic l hai chất khí

quan trọng nhất đối với sự hấp thụ sóng

di do bề mặt phát xạ Vì sao những chất

khí ny có tính chọn lọc, chúng gần nh‡

trong suốt đối với bức xạ sóng ngắn,

nh‡ng gần nh‡ không xuyên qua đối với

sóng di Hãy nhớ lại từ ch‡ơng 2 rằng

nó tăng v giảm những l‡ợng gián đoạn

từ một trạng thái cho phép tới trạng khái

khác Chúng ta cũng đã thấy năng l‡ợng

liên quan tới một phôtôn bức xạ l gián

đoạn v phụ thuộc vo b‡ớc sóng của nó

Nếu biết b‡ớc sóng, chúng ta biết mức

năng l‡ợng của phôtôn

Vì vậy, các phân tử khí buộc phải hấp thụ chỉ những phôtôn nhất định, cụ thể l những phôtôn no đẩy đ‡ợc phân

tử tới các trạng thái năng l‡ợng cho phép Những phôtôn với giá trị năng l‡ợng cao hơn hoặc thấp hơn sẽ không bị hấp thụ m ng‡ợc lại, đi qua đ‡ợc chất khí Bởi vì một b‡ớc sóng duy nhất liên quan với mỗi mức năng l‡ợng, điều ny t‡ơng đ‡ơng với nói rằng chỉ các b‡ớc sóng nhất định mới có thể bị hấp thụ bởi một chất khí cụ thể (Điều ny không đúng với các chất lỏng v rắn, các phân tử của chúng t‡ơng tác để hấp thụ liên tục nhiều hơn) Một b‡ớc sóng cụ thể có thể bị hấp thụ hay không tùy thuộc vo cấu trúc phân tử của chất hấp thụ (hình dáng hình học của các

điện tử, v.v ) Nh‡ đã thấy, các chất khí trong khí quyển không có băng hấp thụ mạnh ở phần phổ nhìn thấy Nh‡ng một

số trong chúng, gồm hơi n‡ớc v cacbonic,

có cấu trúc phân tử cho phép hấp thụ bức xạ sóng di Kết cục, các chất khí khác nhau hấp thụ phần lớn năng l‡ợng sóng di đi qua khí quyển

Hãy xem lại hình 3.8 Năng l‡ợng khí quyển phát tổng cộng 154 đơn vị, trong

đó 88 h‡ớng xuống phía bề mặt v 66 phát lên khoảng không L‡u ý rằng bức xạ sóng di bị mất từ khí quyển v‡ợt trội l‡ợng m nó hấp thụ từ bề mặt Hiệu giữa bức xạ sóng di bị hấp thụ v phát đi đ‡ợc gọi l bức xạ sóng dˆi thuần Đối với

khí quyển, bức xạ sóng di thuần l một số âm 54 (100 −154) đơn vị T‡ơng tự, bề mặt nhận 88 đơn vị bức xạ sóng di, nh‡ng l‡ợng ny bé hơn 104 đơn vị phát đi, vậy thiếu hụt bức xạ sóng di thuần l 16 đơn vị

Hình 3.10 Bức xạ thuần l† kết quả cuối cùng của hấp thụ bức xạ tới v† hấp thụ v† phát xạ bức xạ sóng d†i Bề mặt có một d~ l~ợng bức xạ 29 đơn vị, còn khí quyển có thiếu hụt 29 đơn vị

Mặc dù bức xạ sóng ngắn v sóng di đ‡ợc hấp thụ v phản xạ với các l‡ợngkhác nhau, nh‡ng chúng không phải l những thứ tách biệt hẳn nh‡ l sự nung nóng khí quyển v sự nung nóng bề mặt m chúng ta quan tâm Khi một thứ đ‡ợchấp thụ, vật hấp thụ bị nóng lên Vì vậy một cách tự nhiên, chúng ta kết hợp sóng di v sóng ngắn thnh bức xạ tổng cộng các sóng thuần, hay đơn giản l bức xạ

thuần, đ‡ợc định nghĩa l hiệu giữa bức xạ hấp thụ v bức xạ phát xạ, hay một cách t‡ơng đ‡ơng, năng l‡ợng thuần nhận đ‡ợc hay bị mất đi do bức xạ

Hình 3.10 tổng kết cân bằng bức xạ thuần đối với Trái Đất Khí quyển hấp thụ

25 đơn vị của bức xạ Mặt Trời, nh‡ng chịu tổn thất thuần 54 đơn vị của bức xạ nhiệt để dẫn đến thiếu hụt thuần 29 đơn vị Bề mặt hấp thụ 45 đơn vị bức xạ Mặt Trời, nh‡ng bị thiếu hụt sóng di 16 đơn vị, dẫn đến d‡ l‡ợng bức xạ thuần 29 đơn

vị Nói cách khác, khí quyển có một l‡ợng thiếu hụt thuần về năng l‡ợng bức xạ

đúng bằng d‡ l‡ợng m bề mặt có đ‡ợc

Nếu nh‡ bức xạ l ph‡ơng tiện duy nhất trao đổi năng l‡ợng, d‡ l‡ợng năng

l‡ợng bức xạ nhận đ‡ợc bởi bề mặt sẽ dẫn tới một sự nóng lên liên tục, trong khi thiếu hụt của khí quyển sẽ dẫn tới sự lạnh đi vĩnh viễn Nếu vậy thì bn chân chúng ta sẽ bị rộp lên vì một mặt đất nóng bỏng khủng khiếp, trong khi phần còn lại của thân thể với không khí lạnh cóng bao quanh sẽ bị đông cứng Điều đó dĩ nhiên đã không xảy ra, bởi vì năng l‡ợng đ‡ợc vận chuyển từ bề mặt vo khí quyển v trong phạm vi khí quyển bằng hai hình thức truyền nhiệt khác: truyền dẫn v

đối l‡u Vận chuyển năng l‡ợng thuần bởi hai quá trình ny cho phép d‡ l‡ợng bức xạ tại bề mặt bị triệt tiêu, đồng thời bù đắp cho thâm hụt bức xạ của khí quyển

Truyền dẫn

Sự truyền dẫn đã đ‡ợc mô tả khái l‡ợc ở ch‡ơng 2 đóng vai trò quan trọng trong sự vận chuyển năng l‡ợng ở lân cận bề mặt Vì năng l‡ợng bức xạ đ‡ợc hấp thụ bởi bề mặt rắn của Trái Đất trong thời gian giữa ban ngy, một građien nhiệt

độ (tốc độ biến đổi của nhiệt độ theo khoảng cách) phát triển ở lớp đất trên dy vixăngtimét Nói cách khác, nhiệt độ gần bề mặt trở nên lớn hơn nhiệt độ ở một vixăngtimét bên d‡ới Kết quả l truyền dẫn mang năng l‡ợng xuống phía d‡ới Sự nung nóng đất trong ngy còn tạo nên một građien nhiệt độ trong phạm vi lớp rất mỏng của không khí cận kề bề mặt, gọi l lớp biên phân tầng Mặc dù không khí th‡ờng di động hơn v có khả năng dễ dng bị xáo trộn, các lớp rất mỏng với độ dy

cỡ vi milimét cản trở sự xáo trộn Vì thế, trong thời gian giữa ban ngy građien nhiệt độ rất mạnh có thể phát triển trong lớp biên phân tầng, thông qua đó có thể xảy ra sự dẫn nhiệt đáng kể Năng l‡ợng đ‡ợc dẫn qua lớp biên phân tầng sau đó

đ‡ợc phân phối cho phần còn lại của khí quyển bằng một quá trình xáo trộn đ‡ợcgọi l sự đối l‡u

Đối l €u

Đối l‡u l một quá trình trong đó nhiệt l‡ợng đ‡ợc truyền đi bằng sự chuyển

động vật thể của vật lỏng - tức chất lỏng hoặc chất khí Trái ng‡ợc với truyền dẫn,

đối l‡u liên quan tới sự di chuyển thực của các phân tử Không giống với sự truyền dẫn vận chuyển năng l‡ợng từ bề mặt vo khí quyển, đối l‡u lm l‡u thông nhiệt l‡ợng ny giữa bộ phận thấp nhất v bộ phận còn lại của khí quyển H‡ớng của vận chuyển nhiệt l h‡ớng lên trên khi nhiệt độ bề mặt v‡ợt trội nhiệt độ không khí (tình huống thông th‡ờng vo thời gian giữa ngy) Ban đêm, bề mặt th‡ờng lạnh

đi nhanh hơn so với không khí v năng l‡ợng đ‡ợc truyền h‡ớng xuống d‡ới Sự đối l‡u có thể phát sinh bởi hai quá trình trong các chất lỏng: nung nóng cục bộ (đối

l‡u tự do) v khuấy động cơ học (đối l‡u c‡ỡng bức)

Đối l€u tự do Đối l‡u tự do l quá trình xáo trộn liên quan tới độ nổi - xu thế một chất lỏng nhẹ hơn nổi lên trên khi bị bao quanh bởi một chất lỏng nặng hơn Hãy nhớ lại những ngy thơ ấu của bạn, khi bạn muốn chọc tức cha mẹ mình bằng cách thổi bong bóng qua cái cọng rơm trong cốc sữa Khi không khí đ‡ợc thổi vosữa, nó phải lập tức nổi lên trên, vì nó nhẹ hơn v tạo nên sự xáo trộn rối Đó lbiểu hiện của đối l‡u tự do

Đối l‡u tự do (đ‡ợc thể hiện trong hình 3.11a) th‡ờng xuất hiện khi một bộ phận không khí cục bộ bị nung nóng hơn so với không khí lân cận Vì không khí nóng nhẹ hơn không khí lạnh, nó có độ nổi t‡ơng đối v nâng lên Vo một ngy hè

ấm áp, chúng ta có thể thấy hiệu ứng của đối l‡u tự do bằng cách quan sát một con chim diều hâu (hình 3.11b) bay l‡ợn thả mình trong không khí không vẫy cánh Cú bay đó l có thể bởi vì cánh có chức năng đón những luồng không khí nhẹ thăng lên nâng con diều hâu lên Đối l‡u có thể có các tác động quan trọng hơn nữa so với việc

giữ những con diều hâu trong không khí

Hình 3.11 Đối l ~u (a) l† một cơ chế truyền nhiệt liên quan tới sự xáo trộn của chất lỏng Trong đối l ~u tự do, nung nóng cục bộ có thể l†m cho một bộ phận không khí nâng lên

v † đ~ợc thay thế bởi không khí xung quanh Đối l~u tự do có thể tạo nên những luồng không khí thăng giữ một con diều hâu l ~ợn trong không khí (b) m† không cần vẫy cánh

Đối l €u c€ỡng bức Đối l‡u c‡ỡng bức (còn gọi l rối cơ học) xuất hiện khi một chất lỏng bị cuốn vo những chuyển động cuộn xoáy vô tổ chức khi nó chịu tác

động của một dòng chảy quy mô lớn Thí dụ, khi n‡ớc chảy qua một kênh sông, nó không chảy một cách đều đặn nh‡ n‡ớc si rô rất đậm đặc Ng‡ợc lại, dòng chảy tan

vỡ ra thnh rất nhiều cuộn xoáy Đối l‡u c‡ỡng bức trong khí quyển đ‡ợc biểu diện trên hình 3.12 Không khí chuyển động theo ph‡ơng ngang chịu tác động của chính loại rối ny Thay vì di chuyển nh‡ một khối đồng đều, không khí bị tan vỡ thnh rất nhiều cụm nhỏ, mỗi cụm với tốc độ v h‡ớng của riêng mình, cùng nhau lmthnh dòng chảy quy mô lớn hơn Vì ở đây có một hợp phần thẳng đứng khá mạnh trong các chuyển động rối, nên đối l‡u c‡ỡng bức trợ giúp cho sự vận chuyển năng l‡ợng từ đỉnh của lớp biên phân tầng đi lên phía trên trong thời gian ban ngy.Nói chung, tốc độ gió cng lớn thì sinh ra đối l‡u c‡ỡng bức cng mạnh Rối cơ học còn đ‡ợc tăng c‡ờng khi không khí chảy qua những bề mặt gồ ghề (thí dụ, các khu rừng v các thnh phố) chứ không phải l những bề mặt trơn nhẵn nh‡ các sông băng Đối l‡u tự do v c‡ỡng bức vận chuyển hai loại năng l‡ợng: nhiệt hiện v nhiệt ẩn

l‡ợng đ‡ợc bổ sung cho một chất, có thể xuất hiện một sự tăng nhiệt độ m chúng

ta cảm nhận đ‡ợc (do đó m có thuật ngữ nhiệt hiện) Đó l cái m bạn trải nghiệm

đ‡ợc khi bạn ở ngoi trời vo một ngy có Mặt Trời ấm áp; sự tăng nhiệt độ da của bạn l do nhận đ‡ợc nhiệt hiện Giá trị tăng nhiệt độ liên quan tới hai nhân tố, nhân tố thứ nhất l nhiệt dung riêng, đ‡ợc định nghĩa l l‡ợng nhiệt cần thiết để

tạo ra một biến đổi nhiệt độ đã định cho một đơn vị khối l‡ợng của chất Trong hệ

đơn vị SI, nhiệt dung riêng đ‡ợc biểu diễn bằng J/(kg.K) Nếu mọi điều kiện khác

nh‡ nhau, thì một chất với nhiệt dung riêng cao nóng lên chậm, bởi vì đòi hỏi nhiều năng l‡ợng để tạo ra một biến đổi nhiệt độ đã định T‡ơng tự, nếu chấp nhận cùng một tốc độ mất năng l‡ợng, thì một chất với nhiệt dung riêng cao sẽ cần thời gian lâu hơn để bị lạnh đi

Hình 3.13 H†m l~ợng nhiệt của một chất phụ thuộc v†o một số nhân tố ở (a) nhập

l ~ợng 4190 J năng l~ợng cho 1 kg n~ớc l†m tăng nhiệt độ 1 o C, còn nhập l ~ợng năng

l ~ợng gấp đôi l†m nóng gấp đôi Nhiệt dung riêng của một chất còn ảnh h~ởng tới độ biến đổi nhiệt độ từ một nhập l~ợng năng l~ợng ở (b) sử dụng 4190 J cho 1 kg cát l†m tăng nhiệt độ lớn hơn 5 lần so với 1 kg n~ớc Khối l~ợng cũng ảnh h~ởng tới độ biến đổi nhiệt độ t~ơng ứng của một nhập l~ợng năng l~ợng cho tr~ớc Hãy l~u ý ở (c) rằng gia l~ợng nhiệt độ đối với 2 kg n~ớc bằng một nửa gia l~ợng nhiệt độ của 1 kg

Gia l‡ợng nhiệt độ do một nhập d‡ năng l‡ợng còn phụ thuộc vo khối loợng

của chất Không ngạc nhiên khi một nhiệt l‡ợng nhập vo nhất định dẫn tới tăng nhiệt độ rất nhiều nếu nhiệt l‡ợng đó đ‡ợc cung cấp cho một khối l‡ợng nhỏ Thí

dụ, hãy so sánh l‡ợng năng l‡ợng cần để lm sôi một bình tr với l‡ợng nhiệt cần

để lm nóng bồn tắm Chỉ trong ít phút một ngăn lửa bếp lò có thể lm cho n‡ớcsẵn sng pha tr, nh‡ng máy đun n‡ớc của bạn phải cung cấp nhiều năng l‡ợnghơn cho l‡ợng n‡ớc lớn của bồn tắm Những quan hệ ny đã đ‡ợc thể hiện trên hình 3.13

Nhiệt hiện truyền đi bằng truyền dẫn qua lớp biên phân tầng v sau đó phân phát lên phía trên bằng đối l‡u Thông qua các cơ chế ny, 8 trong số 29 đơn vị d‡

l‡ợng bức xạ thuần của bề mặt đ‡ợc truyền vo khí quyển, ở đây nó bù trừ cho l‡ợng thâm hụt bức xạ thuần 21 đơn vị còn lại đ‡ợc đ‡ợc truyền vo khí quyển bằng đối l‡u nhiệt d‡ới một dạng khác

Nhiệt ẩn Nhiệt ẩn l một thứ gì đó ít trực giác hơn so với nhiệt hiện Nó lnăng l‡ợng cần để thay đổi pha của một chất (tức trạng thái chất l rắn, lỏng hay khí) Trong khí t‡ợng học, chúng ta chủ yếu chỉ đề cập tới nhiệt l‡ợng liên quan tới

sự thay đổi pha của n‡ớc

Nhớ lại rằng tất cả các quá trình vật lý đòi hỏi năng l‡ợng Bay hơi n‡ớc v tan chảy băng không phải l những ngoại lệ của quy tắc ny - đối với cả hai quá trình, năng l‡ợng cần phải đ‡ợc cung cấp Trong tr‡ờng hợp tan băng, năng l‡ợng đ‡ợcgọi l nhiệt ẩn nóng chảy Đối với sự thay đổi pha từ lỏng sang khí, năng l‡ợng đ‡ợc

gọi l nhiệt ẩn hóa hơi Để hóa hơi 1 kg n‡ớc lỏng, cần bảy lần r‡ỡi năng l‡ợng

(2500000 J) lớn hơn tr‡ờng hợp lm tan chảy cùng l‡ợng băng nh‡ vậy (335 000 J) Mặc dù cả hai dạng nhiệt ẩn có thể đều quan trọng cục bộ, nh‡ng ở quy mô toncầu, thì nhiệt ẩn hóa hơi quan trọng hơn nhiều

Khi bức xạ đ‡ợc nhận từ bề mặt, nó có thể lm tăng nhiệt độ của đất hay n‡ớc.Nếu có n‡ớc ở bề mặt (hoặc có thể đ‡ợc lấy lên từ phía d‡ới bề mặt nhờ hệ thống rễ cây), thì phần năng l‡ợng no đó thay vì có thể bị sử dụng để lm tăng nhiệt độ bề mặt lại có thể dùng vo lm bay hơi một phần n‡ớc Điều đó lm cho nhiệt độ tăng

ít hơn so với tr‡ờng hợp bề mặt khô Bạn có lẽ đã trải nghiệm đ‡ợc điều ny trong khi đi bộ chân không trên một vỉa hè nóng Nếu vỉa hè đ‡ợc phun n‡ớc, bề mặt sẽ lạnh đi, vì năng l‡ợng đ‡ợc lấy từ nền đất v dùng cho bay hơi L‡ợng năng l‡ợngtiêu thụ có thể bằng 90 % của bức xạ Mặt Trời hấp thụ đối với một bề mặt rất ẩm Chúng ta sử dụng một thí dụ quen thuộc khác để minh họa cho khái niệm nhiệt ẩn Tất cả chúng ta đều biết rằng ra mồ hôi l một cơ chế lm hạ nhiệt độ cơ thể v giữ cho chúng ta không bị quá nóng Nh‡ng nó hoạt động ra sao? Rõ rng l

mồ hôi lạnh - nh‡ng nó nóng nh‡ cơ thể tạo ra nó Nguyên nhân m mồ hôi lmmát ng‡ời ta l nhiệt ẩn Khi bạn luyện tập, nhiệt l‡ợng đ‡ợc tạo ra nh‡ một phụ phẩm lm cho nhiệt độ cơ thể bạn tăng lên Tuy nhiên, nếu da bạn đ‡ợc phủ n‡ớcv n‡ớc đó đ‡ợc tự do bay hơi, thì một phần năng l‡ợng do cơ thể bạn sinh ra đ‡ợcdùng lm bay hơi n‡ớc chứ không lm tăng nhiệt độ cơ thể bạn

Năng l‡ợng cần để bay hơi n‡ớc hay tan băng đ‡ợc gọi l ẩn, bởi vì nó không bị biến mất Nó đ‡ợc giữ, “ẩn” trong khí quyển để giải phóng sau ny khi quá trình

ng‡ợc lại xảy ra - ng‡ng tụ hơi n‡ớc thnh những giọt mây hay s‡ơng lỏng Kết cục, sự bay hơi n‡ớc lm cho năng l‡ợng hiện diện tiềm tng ở trong khí quyển chứ không phải l lm nóng bề mặt Vậy nó tác động nh‡ một cơ chế vận chuyển năng

l‡ợng, lấy nhiệt từ bề mặt cho khí quyển Về trung bình ton cầu, tổng l‡ợng năng

l‡ợng truyền tới khí quyển l nhiệt ẩn bằng 21 đơn vị, nó lm cho nhiệt ẩn với t‡cách l một ph‡ơng thức truyền nhiệt trở nên quan trọng hơn nhiều so với nhiệt hiện (8 đơn vị) Có lẽ điều ny không có gì bất ngờ, nếu biết rằng hnh tinh chủ yếu bao phủ bởi đại d‡ơng Những giá trị trung bình năm của các hợp phần bức xạ thuần, nhiệt ẩn v hiện đ‡ợc biểu diễn trên hình 3.14

Hình 3.14 Cả bề mặt v† khí quyển l†m mất nhiều năng l~ợng nh~ đã thu Bề mặt có d~ l~ợng

29 đơn vị bức xạ thuần, l~ợng n†y đ~ợc bù trừ bằng vận chuyển nhiệt hiện v† ẩn tới khí quyển Khí quyển bù trừ 29 đơn vị thâm hụt bức xạ của nó bằng cách nhận nhiệt hiện v† ẩn từ bề mặt Bức xạ thuần v † nhiệt độ

Cân bằng nhiệt giữa bức xạ đến v đi không chỉ l ngẫu nhiên; các định luật vật lý chỉ ra rằng nó phải nh‡ vậy Để hiểu vì sao, chúng ta xem điều gì sẽ xảy ra nếu nh‡ Mặt Trời bỗng d‡ng tăng đầu ra bức xạ của nó v lm tăng nhiệt độ của Trái Đất Vì các vật nóng phát xạ nhiều năng l‡ợng hơn các vật lạnh, hnh tinh sẽ thích ứng bằng cách phát năng l‡ợng sóng di nhiều hơn vo vũ trụ Khi no năng

l‡ợng tới từ Mặt Trời còn v‡ợt trội năng l‡ợng do Trái Đất phát xạ, nhiệt độ toncầu còn tiếp tục tăng, v phát xạ vo vũ trụ sẽ tăng theo Với thời gian, nhiệt độ

hnh tinh sẽ tăng tới điểm m tại đó năng l‡ợng đi ra bằng năng l‡ợng đi đến, vmột nhiệt độ cân bằng mới sẽ đ‡ợc thiết lập Tất cả những giá trị cụ thể ở hình 3.14

sẽ thay đổi, nh‡ng tổng các đầu vo v đầu ra ton cầu sẽ vẫn bằng không

Cứ nh‡ vậy, chúng ta bn luận về đầu ra v đầu vo trung bình năm của bức xạ trên ton cầu Nh‡ng những đ‡ợc v mất về năng l‡ợng bức xạ còn chịu trách nhiệm về những biến thiên nhiệt độ m chúng ta quan sát đ‡ợc trong quá trình một ngy Hãy xem điều gì xảy ra trong một chu kỳ 24 giờ vo một ngy không mây Lúc bình minh, Mặt Trời xuất hiện ngay trên đ‡ờng chân trời Vì độ cao Mặt Trời bé, bức xạ tới đạt đến bề mặt yếu do độ lan tỏa chùm tia v quãng đ‡ờng di

m các tia phải đi xuyên qua khí quyển (đã xét ở ch‡ơng 2) Ban tr‡a, Mặt Trời đạt tới độ cao lớn nhất của mình bên trên đ‡ờng chân trời v bề mặt nhận đ‡ợc đầu vobức xạ Mặt Trời lớn nhất của nó Từ tr‡a đến hong hôn, độ cao Mặt Trời giảm vbức xạ nhận giảm Nh‡ng kinh nghiệm cho chúng ta biết rằng thời gian nóng nhất của một ngy th‡ờng không xuất hiện vo lúc tr‡a; m đôi khi vo đầu buổi chiều,

th‡ờng giữa 2 v 4 giờ chiều

Để giải thích độ trễ giữa bức xạ tới cực đại v nhiệt độ, chúng ta phải xem xét những cơ chế truyền năng l‡ợng khác: bức xạ sóng di, đối l‡u v truyền dẫn vonền đất Nhiệt độ bề mặt tăng lên chừng no năng l‡ợng do bề mặt nhận lớn hơn năng l‡ợng nó bị mất Mặc dù bức xạ Mặt Trời bắt đầu giảm sau tr‡a, cán cân năng l‡ợng bề mặt tiếp tục d‡ cho tới cuối ngy, tại điểm đó nhiệt độ bắt đầu hạ Chính xác khi no điều ny xuất hiện tùy thuộc vo những điều kiện địa ph‡ơng, gồm biên độ của đ‡ờng cong nhiệt l‡ợng Mặt Trời, tốc độ gió, độ ẩm bề mặt v trữ l‡ợngnhiệt v độ dẫn nhiệt của đất

Một bức tranh t‡ơng tự xảy ra với tr‡ờng hợp năm Bắc bán cầu có l‡ợng bức xạ Mặt Trời lớn nhất, nh‡ng không phải l những nhiệt độ cao nhất của nó vo kỳ hạ chí Từ khoảng 4 đến 6 tuần sau hạ chí, l‡ợng bức xạ tới tiếp tục v‡ợt trội l‡ợngmất bức xạ sóng di vo vũ trụ Giá trị bức xạ thuần d‡ơng cuối cùng dẫn tới một

sự ấm lên liên tục của bán cầu ny cho tới một thời gian no đó trong tháng 7 hoặc tháng 8, khi đạt đ‡ợc những nhiệt độ cực đại

Biến thiên theo vĩ độ

Sự cân bằng tổng cộng giữa bức xạ đến v đi đã thảo luận ở các mục tr‡ớc áp dụng cho hnh tinh nh‡ một tổng thể chứ không phải cho một nơi cụ thể Hình 3.15 cho thấy rằng sự cân bằng giữa bức xạ đến v đi biến đổi theo vĩ độ Xét về trung bình năm, hệ thống bề mặt Trái Đất - khí quyển nhận nhiều bức xạ hơn bị mất ở giữa khoảng các vĩ độ 38o bắc v nam, v nó bị mất nhiều hơn nhận từ hai vĩ tuyến

đó tới các địa cực Ranh giới giữa các vùng nhận d‡ v thâm hụt năng l‡ợng bức xạ

di dịch theo mùa Trong thời gian mùa hè Bắc bán cầu, phần lớn khu vực phía bắc

từ 15oS nhận nhiều năng l‡ợng bức xạ hơn bị mất Trong thời gian mùa đông Bắc bán cầu, phần lớn các vùng phía nam từ khoảng 15oN lấy bức xạ về nhiều hơn lphát đi

Nếu nh‡ không có các quá trình khác tham gia, thì d‡ l‡ợng bức xạ thuần giữa

38o bắc v nam v thâm hụt ở bên ngoi đới ny sẽ lm cho các vùng nhiệt đới vcận nhiệt đới liên tục bị nung nóng v các vùng ngoại nhiệt đới liên tục bị lạnh đi Tuy nhiên, điều đó không xảy ra, bởi vì d‡ l‡ợng năng l‡ợng tại các vĩ độ thấp đ‡ợc

bù trừ nhờ sự di chuyển nhiệt theo ph‡ơng ngang, hay bình l‡u nhiệt, về phía cực

Sự vận chuyển ny đ‡ợc thực hiện thứ nhất bởi những hệ thống gió ton cầu (75 %)

v thứ hai bởi các dòng chảy đại d‡ơng (25 %), nh‡ đã minh họa trên hình 3.16 Các hệ thống gió đ‡ợc hình thnh vì những l‡ợng năng l‡ợng không bằng nhau

ở những nơi khác nhau gây nên những chênh lệch áp suất Nh‡ chúng ta sẽ xét ở

ch‡ơng 4, không khí có xu h‡ớng di chuyển từ những vùng áp suất cao tới những vùng áp suất thấp hơn v sự chuyển động của không khí đ‡ợc thể hiện thnh gió theo ph‡ơng ngang Ngoi ra, gió thổi trên các đại d‡ơng tác động lôi kéo tới lớp n‡ớc bề mặt v khởi động các dòng chảy chảy gần nh‡ cùng h‡ớng với không khí bên trên Khi gió v các dòng chảy hoạt động, chúng mang theo mình nhiệt l‡ợngnội tại để nhiệt đ‡ợc phân bố lại trên ton cầu

Hình 3.15 Các giá trị bức xạ thuần trung bình năm của khí quyển

v † bề mặt kết hợp Tại các vĩ độ lớn hơn khoảng 38 o bắc v † nam

có nhận d ~ năng l~ợng bức xạ Từ các vĩ độ đó tới các cực, khí quyển v † bề mặt mất nhiều năng l~ợng bức xạ hơn nhận

Hình 3.16 Ho †n l~u của các dòng chảy đại d~ơng Những dòng di chuyển n~ớc

nóng đ ~ợc vẽ bằng các mũi tên đỏ, di chuyển n~ớc lạnh - các mũi tên xanh

Hiệu ứng nh† kính

Những quá trình t‡ơng tác lm nóng khí quyển th‡ờng đ‡ợc gộp lại v gọi l

hiệu ứng nh ˆ kính, tuy nét t‡ơng tự với một nh kính không phải đúng hon

ton Các nh kính, nh‡ một nh kính biểu diễn ở hình 3.17, đ‡ợc lm chủ yếu từ

kính, nó trong suốt đối với bức xạ sóng ngắn đi vo, nh‡ng đục đối với bức xạ sóng

di đi ra Vì vậy, kính cho phép bức xạ đi vo nhiều hơn bức xạ thoát ra, gây nên nhiệt độ bên trong nh cao hơn ở bên ngoi Về ph‡ơng diện đó, một nh kính

t‡ơng tự nh‡ khí quyển - khí quyển cũng cho phần lớn năng l‡ợng tới từ Mặt Trời truyền qua, nh‡ng hấp thụ đại đa số bức xạ sóng di m bề mặt phát lên trên

Hình 3.17 Không khí bên trong nh † kính nóng

hơn bên ngo †i, vì kính cho bức xạ sóng ngắn đi

v †o nh~ng không cho bức xạ sóng d†i đi ra Nó

cũng cản trở sự vận chuyển nhiệt ra khỏi bề

mặt bằng đối l ~u Hiệu ứng sau cùng n†y l†m

cho tác động của nh † kính khác với khí quyển

Do đó, thuật ngữ “hiệu ứng nh † kính” không

ho †n to†n phù hợp khi áp dụng cho khí quyển

Tuy nhiên, sự t‡ơng tự sẽ không còn nữa khi chúng ta đề cập tới hiệu ứng đối

l‡u Một nh kính không chỉ lm giảm bớt thâm hụt năng l‡ợng bởi bức xạ sóng

di, nó còn ngăn chặn không cho đối l‡u lm mất nhiệt hiện v nhiệt ẩn Ng‡ợc lại, các chất khí nh kính của khí quyển không cản trở sự vận chuyển nhiệt ẩn v hiện

Nh‡ vậy, sẽ l chính xác hơn nếu thuật ngữ “hiệu ứng nh kính” đ‡ợc thay bằng

“hiệu ứng khí quyển”

Nếu nh‡ khí quyển không có “những chất khí nh kính” hấp thụ bức xạ sóng

di đi ra, Trái Đất sẽ lạnh hơn rất nhiều về trung bình v nhiệt độ sẽ dao động rất mạnh giữa ngy v đêm Thật vậy, không có các khí nh kính v mây, bề mặt Trái

Đất sẽ có một nhiệt độ trung bình bằng -18 oC Hiệu ứng nh kính giữ Trái Đất ấm hơn do hấp thụ phần lớn bức xạ sóng di do bề mặt phát xạ, đồng thời lm ấm lớp khí quyển phía d‡ới, đến l‡ợt mình phát bức xạ xuống d‡ới Ngy nay bạn thấy ng‡ời ta bn luận nhiều trong môi tr‡ờng truyền thông về khả năng khí hậu nóng lên do quá trình tăng nhân tạo các khí nh kính nh‡ cacbon điôxit v mêtan Mặc

dù một ít nh khoa học vẫn đang nghi ngờ tăng các khí nh kính có phải l một tác nhân lm nóng lên ton cầu hay không, nh‡ng tầm quan trọng của các khí nhkính trong khí hậu ngy nay l không còn bn cãi Chúng ta sẽ xem xét vấn đề biến

đổi khí hậu ở ch‡ơng 16