Nhập môn hoàn lưu khí quyển - ( ĐH Quốc Gia HN ) - Chương 3

Cơ chế nhiệt của khí quyển3.1 Cân bằng năng l-ợng toàn cầuTrong mục này sẽ trình bày một số định luật cơ bản giúp mô tả cơ chế nhiệt của hoàn l-u toàn cầu. Trong mục này chỉ xem xét tới cân bằng năng l-ợng trung bình toàn cầu của khí quyển; trong phần sau sẽ xét tới sự biến đổi địa lý của cân bằng này. Trong các phần này sẽ giới thiệu khái niệm về cân bằng bức xạ, chỉ ra qui mô thời gian cần để thiết lập cân bằng này. Định luật vật lý...
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Nhập môn hoàn lưu khí quyển - ( ĐH Quốc Gia HN ) - Chương 3 Ch−¬ng 3. C¬ chÕ nhiÖt cña khÝ quyÓn3.1 C©n b»ng n¨ng l−îng toμn cÇu Trong môc nμy sÏ tr×nh bμy mét sè ®Þnh luËt c¬ b¶n gióp m« t¶ c¬ chÕ nhiÖt cñahoμn l−u toμn cÇu. Trong môc nμy chØ xem xÐt tíi c©n b»ng n¨ng l−îng trung b×nhtoμn cÇu cña khÝ quyÓn; trong phÇn sau sÏ xÐt tíi sù biÕn ®æi ®Þa lý cña c©n b»ng nμy.Trong c¸c phÇn nμy sÏ giíi thiÖu kh¸i niÖm vÒ c©n b»ng bøc x¹, chØ ra qui m« thêigian cÇn ®Ó thiÕt lËp c©n b»ng nμy. §Þnh luËt vËt lý c¬ b¶n ®−îc sö dông lμ ®Þnh luËt Stefan. §Þnh luËt nμy ph¸t biÓur»ng n¨ng l−îng bøc x¹ ph¸t ra tõ mét ®¬n vÞ diÖn tÝch cña vËt ®en tuyÖt ®èi tû lÖ víiluü thõa bËc bèn cña nhiÖt ®é S  T 4 (3.1)trong ®ã  lμ h»ng sè Stefan-Boltzman, cã gi¸ trÞ b»ng 5,67x10-8 Wm-2K-4. §èi víi môc®Ých cña ta, bÒ mÆt cña Tr¸i §Êt hay bÒ mÆt cña mÆt trêi ®−îc xem lμ vËt ®en tuyÖt®èi vμ tu©n theo ®Þnh luËt Stefan. Mét vËt ®en ph¸t ra bøc x¹ trong mét kho¶ng tÇn sè nhÊt ®Þnh, tuy nhiªn víi méttÇn sè cùc ®¹i max. §Þnh luËt Wien biÓu thÞ quan hÖ gi÷a tÇn sè max víi nhiÖt ®é cñavËt ®en tuyÖt ®èi nh− sau v max  WT (3.2)trong ®ã W lμ mét h»ng sè, cã gi¸ trÞ b»ng 1,035x1011K-1s-1. Trªn H×nh 3.1 biÓu diÔn ®åthÞ gi÷a n¨ng l−îng vμ tÇn sè cña vËt ®en ë c¸c nhiÖt ®é kh¸c nhau. MÆt trêi víi nhiÖt®é bÒ mÆt vμo kho¶ng 5750K, ph¸t x¹ chñ yÕu ë b−íc sãng nh×n thÊy vμ b−íc sãng gÇnhång ngo¹i víi mét cùc ®¹i n»m trong phæ cña b−íc sãng nh×n thÊy. KhÝ quyÓn s¹chgÇn nh− lμ thÊu x¹ hoμn toμn ®èi víi c¸c b−íc sãng nμy, do ®ã hÇu hÕt c¸c tia mÆt trêi®¹t tíi bÒ mÆt ®Êt hoÆc Ýt nhÊt còng ®¹t tíi c¸c mùc trong tÇng ®èi l−u, n¬i cã ®Ønh c¸c®¸m m©y. Thùc tÕ, hÇu hÕt c¸c khÝ h×nh thμnh nªn bÇu khÝ quyÓn hμnh tinh ®Òu hÊpthô rÊt Ýt tia bøc x¹ mÆt trêi. B¶n th©n khÝ quyÓn víi nhiÖt ®é trung b×nh vμo kho¶ng200-300K sÏ ph¸t x¹ ë c¸c b−íc sãng dμi h¬n, n»m trong phæ hång ngo¹i. KhÝ quyÓnkh«ng thÊu x¹ ®èi víi c¸c b−íc sãng nμy. C¸c thμnh phÇn nh− h¬i n−íc, khÝ cacbonic,vμ oz«n (n»m trong tÇng b×nh l−u) hÊp thô hÇu hÕt c¸c tia nμy. V× vËy bÒ mÆt kh«ngcã kh¶ n¨ng ph¸t x¹ trùc tiÕp vμo kh«ng gian vò trô vμ nhËn thªm bøc x¹ sãng dμiph¸t ra tõ c¸c líp n»m phÝa trªn khÝ quyÓn. NhiÖt ®é cña nã sÏ t¨ng cao h¬n gi¸ trÞc©n b»ng ®èi víi mét vËt thÓ ®øng yªn. KhÝ quyÓn ®ãng vai trß nh− mét líp vá bäc,hÊp thô nhiÖt ë gÇn bÒ mÆt vμ lμm t¨ng nhiÖt ®é cña khÝ quyÓn, hiÖu øng nμy th−êng®−îc gäi lμ hiÖu øng nhμ kÝnh.- 66 - H×nh 3.1 §−êng cong biÓu diÔn bøc x¹ ph¸t ra trªn mét tÇn sè ®¬n vÞ lµ mét hµm cña tÇn sè cña vËt ®en víi nhiÖt ®é øng víi 255K vµ 5750K. C¸c kh¸i niÖm trªn cã thÓ ®−îc m« t¶ mét c¸ch ®Þnh l−îng. KÝ hiÖu th«ng l−îngbøc x¹ mÆt trêi bÊt kú chiÕu tíi Tr¸i §Êt lμ S; S ®«i khi ®−îc gäi lμ h»ng sè mÆt trêi,thùc tÕ gi¸ trÞ nμy biÕn ®æi trong n¨m theo sù thay ®æi kho¶ng c¸ch gi÷a Tr¸i §Êt vμmÆt trêi. Gi¸ trÞ trung b×nh cña S lμ 1370Wm-2. Tr¸i §Êt víi diÖn tÝch a2 vu«ng gãcvíi tia mÆt trêi tuy nhiªn cã tæng diÖn tÝch bÒ mÆt lμ 4a2; Th«ng l−îng bøc x¹ trungb×nh trªn mét ®¬n vÞ diÖn tÝch bÒ mÆt Tr¸i §Êt sÏ lμ S/4. Mét l−îng nhá  tia bøc x¹mÆt trêi sÏ bÞ ph¶n x¹ ng−îc trë l¹i vμo kh«ng gian vò trô;  lμ albedo, cã gi¸ trÞ 0,29®èi víi Tr¸i §Êt, tuy nhiªn gi¸ trÞ nμy biÕn ®æi theo ®Þa ph−¬ng rÊt m¹nh vμ ®ãng vaitrß kh¸ quan träng. Albedo cña m©y hoÆc cña tuyÕt míi r¬i rÊt lín, kho¶ng 0.9, trongkhi ®ã albedo cña rõng hoÆc cña bÒ mÆt ®¹i d−¬ng nhá h¬n nhiÒu, chØ vμo kho¶ng0,07. Th«ng l−îng tæng céng mμ Tr¸i §Êt hÊp thô ®−îc lμ I = (1-)S/4; ë tr¹ng th¸idõng gi¸ trÞ nμy ph¶i c©n b»ng víi l−îng bøc x¹ hång ngo¹i ph¸t ra tõ bÒ mÆt Tr¸i§Êt. Sö dông ph−¬ng tr×nh (3.1), nhiÖt ®é trung b×nh cña hÖ Tr¸i §Êt-khÝ quyÓn lμ  1   S  1/ 4 TB    (3.3)  4  NhiÖt ®é tÝnh theo c¸ch nμy ®«i khi ®−îc gäi lμ nhiÖt ®é ph¸t s¸ng; ®©y lμ nhiÖt ®émμ mét vËt ®en cã thÓ cã ®Ó ph¸t ra cïng gi¸ trÞ bøc x¹ hång ngo¹i. ThÕ gi¸ trÞ nμy ®èivíi Tr¸i §Êt ta ®−îc TB = 255K. NhiÖt ®é nμy nhá h¬n so víi gi¸ trÞ nhiÖt ®é trungb×nh cña bÒ mÆt Tr¸i §Êt (kho¶ng 288K). NhiÖt ®é ph¸t x¹ TB cã thÓ ®−îc xem nh− lμnhiÖt ®é ®Æc tr−ng cña c¸c líp phÝa trªn cña tÇng ®èi l−u cã thÓ ph¸t ra bøc x¹ hångngo¹i trùc tiÕp vμo kh«ng gian vò trô. BÒ mÆt vμ c¸c líp khÝ quyÓn phÝa d−íi cã nhiÖt®é cao h¬n v× khÝ quyÓn lμ kh«ng thÊu x¹ ®èi víi bøc x¹ hång ngo¹i.- 67 - H×nh 3.2 M« h×nh líp ®¬n nhÊt cña hÖ thèng Tr¸i §Êt-khÝ quyÓn Cã thÓ gi¶i thÝch ®−îc ®iÒu nμy nÕu coi khÝ quyÓn nh− lμ mét líp khÝ ®ång nhÊtn»m phÝa trªn bÒ mÆt Tr¸i §Êt, nh− biÓu diÔn trªn H×nh 3.2. §Ó ...