Bài giảng Khí hậu học: Chương 3 – ĐH KHTN Hà Nội

Chia sẻ: Chạy Ngay Đi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:81

Thêm vào BST

Báo xấu

18
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng Khí hậu học - Chương 3: Bức xạ và khí hậu. Những nội dung chính được trình bày trong chương gồm có: Photon và các thành phần vi lượng, bản chất của bức xạ điện từ, mô tả năng lượng bức xạ, định luật phát xạ vật đen của Planck, sự hấp thụ và phát xạ có chọn lọc do các chất khí trong khí quyển,… Mời các bạn cùng tham khảo.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Khí hậu học: Chương 3 – ĐH KHTN Hà Nội

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  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  Trái đất phải phát xạ sóng dài vào không gian vũ trụ  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 điện 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  tần số  và bước sóng  tỷ lệ nghịch với nhau * * c c    
 Nếu cho rằng ánh sáng như là những photon, khi đó photon có năng lượng E tỷ lệ với tần số của nó E   = 6.625 x 1034Js là hằng số Planck •  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 m, 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 (0.4-0.75m) và gần hồng ngoại (0.75-5m) • Bức xạ tử ngoại chỉ chiếm dưới 1% • Năng lượng phát xạ của trái đất hầu như nằm trong khoảng 4200m (hồng ngoại)
Phổ bức xạ điện từ của mặt trời
So sánh phổ bức xạ mặt trời và Trái đất
3.3 Mô tả năng 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 (dF) trong khoảng tần số (  +d) là dòng xuyên qua một số gia diện tích (dA) trong một góc khối (d) trong một khoảng thời gian (dt): dF = I cos d dA d dt  d = sin d d  Mật độ thông lượng phổ ứng với tần số : 2 / 2 F    I (, ) cos  sin dd 0 0 Mật độ thông lượng hay mật độ dòng (W/m2):  F   F d 0
Bức xạ có thể bị phản xạ, truyền qua hoặc bị hấp thụ hoàn toàn bởi vật chất
Sự bảo toàn năng 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 Er  Định nghĩa Ea  Độ phản xạ r = Er/Ei Ei Et  Độ hấp thụ a = Ea/Ei  Độ truyền qua t = Et/Ei  Sự bảo toàn năng lượng : r + a +  = 1
 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 đen 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 2 3 1 B  ( T)  * 2 ( e  / kT  1) c =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),  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:  2  5 4 k   B (T)d  T  4 *2 3 0 15c  • 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  Bức xạ cực tím, Bức xạ (có thể) nhìn thấy (khả kiến), Bức xạ gần hồng ngoại, Bức xạ hồng ngoại, Vi sóng, v.v...  Gọi theo bước sóng  Bức xạ sóng ngắn:   3 micrometers  Bức xạ sóng dài:  > 3 micrometers
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
Sự hấp thụ bức xạ bởi các chất khí khác nhau Các chất khí khác nhau hấp thụ bức xạ mạnh/yếu ở những bước sóng khác nhau Tại sao?
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
Tác động của bức xạ đối với các phân tử khí