Thời tiết và khí hậu - Phần 1 Năng lượng và khối lượng - Chương 2

Chia sẻ: Nguyễn Nhi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:34

Thêm vào BST

Báo xấu

115
lượt xem 28
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tài liệu tham khảo Giáo trình Thời tiết và khí hậu của Edward Aguado và James E. Burt, nhà xuất bản Đại học quốc gia Hà Nội do Đặng Thị Hồng Thủy và Nguyễn Lan Anh biên dịch - Thời tiết và khí hậu - 1 Năng lượng và khối lượng - Chương 2 Bức xạ mặt trời và các mùa

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Thời tiết và khí hậu - Phần 1 Năng lượng và khối lượng - Chương 2

Ch ¬ng 2 Bøc x¹ MÆt Trêi v C¸c mïa Trong c¸c ng y 5-9 th¸ng Giªng n¨m 1998, c d©n cña mét bé phËn réng lín ë miÒn ®«ng n íc Mü v Cana®a ®· gÆp mét sù kiÖn m a ¶nh h ëng rÊt lín tíi ®êi sèng cña hä. Kh«ng gièng phÇn lín nh÷ng trËn m a kh¸c, nh÷ng h¹t m a r¬i xuèng bÞ ®«ng cøng ngay khi ch¹m tíi bÒ mÆt ®Ó t¹o th nh mét líp b¨ng ph¼ng, tr¾ng phñ d y liªn tôc. B¨ng trë nªn d y tíi møc l m cho c nh c©y bÞ gÉy, tuyÕn d©y ®iÖn bÞ ®øt sËp v ® êng x¸ kh«ng thÓ ®i l¹i ® îc. M a ®ãng b¨ng tr¶i ra rÊt réng v hñy ho¹i kh¾p n¬i, l m cho h ng triÖu d©n ë New England, bang New York v tØnh Quebek cña Cana®a mÊt ®iÖn - trong h¬n hai tuÇn ë mét sè n¬i. ChØ riªng ë Quebek, 3 triÖu ng êi - 40 % d©n c - bÞ mÊt ®iÖn v íc tÝnh thiÖt h¹i kho¶ng 1 tØ ®« la. Mét trong nh÷ng ng êi trong cuéc, «ng Andre Champagne ë Montreal, m« t¶ c¶nh ®ã nh sau: “Trêi thËt tèi t¨m, cø nh t«i ®ang ë trªn sao Háa vËy”. B·o kÐo theo rÊt nhiÒu hËu qu¶ - tÊt c¶ ®Òu l nh÷ng hËu qu¶ xÊu. ë miÒn ®«ng nam v c¸c bang thuéc Trung §¹i T©y D ¬ng, m a g©y nªn lò lôt rÊt lín, mét phÇn l do dßng ch¶y m a trùc tiÕp ®æ v o c¸c s«ng. N íc m a thÊm v o trong c¸c bån tuyÕt nhanh chãng bÞ ®«ng cøng c ng l m c¨ng th¼ng thªm vÊn ®Ò lò lôt. Bèn bang ph¶i kªu gäi trî gióp cña Côc B¶o vÖ Quèc gia. § n gia sóc bÊt h¹nh còng bÞ liªn ®íi, bëi v× mÊt ®iÖn l m cho n«ng d©n kh«ng thÓ cÊp n íc uèng cho ® n bß cña m×nh v ng nh n«ng nghiÖp thiÖt h¹i h¬n 1 triÖu ®« la. H¬n 30 ng êi ë Mü v Cana®a bÞ chÕt v× trËn b·o. B·o l¹nh mïa ®«ng cña th¸ng Giªng n¨m 1998 l mét sù tr¸i ng îc râ rÖt so víi ®ît bïng ph¸t thêi tiÕt cùc ®oan diÔn ra ë miÒn b¾c n íc Mü v miÒn nam Cana®a v o c¸c ng y 30-31 th¸ng 5, khi giã lèc, m a ®¸ v sÐt giÕt h¹i Ýt nhÊt 17 ng êi. Nh÷ng trËn b·o nh vËy, mÆc dï cã thÓ x¶y ra bÊt kú thêi gian n o trong n¨m, nh ng th êng phæ biÕn nhÊt v o mïa xu©n. Råi sau ®ã l ®ît sãng nhiÖt mïa hÌ cña th¸ng 6 n¨m 1999, nã reo r¾c sù thèng khæ tõ miÒn ®«ng Cana®a cho tíi c¸c vïng ®ång b»ng phÝa nam v phÇn ®«ng nam cña n íc Mü. H¬n 250 ng êi thiÖt m¹ng ë kh¾p n íc Mü trong thêi kú hai tuÇn. Nh c¸c thÝ dô n y cho thÊy, nhiÒu lo¹i thêi tiÕt cùc ®oan cã thÓ reo r¾c t n ph¸, song mçi lo¹i cã vÎ nh xuÊt hiÖn nhiÒu h¬n v o mét thêi gian cô thÓ n o ®ã cña n¨m. ThËm chÝ ch a cã thêi tiÕt cùc ®oan th× ®êi sèng cña chóng ta ®· ®ang bÞ ¶nh h ëng nhiÒu bëi chu tr×nh mïa x¶y ra mçi n¨m. MÆc dï nh÷ng thay ®æi c¸c mïa quan träng ®èi víi ho¹t ®éng h ng ng y, nhiÒu ng êi trong chóng ta ch a thËt sù hiÓu c¸i g× g©y nªn c¸c mïa. Trong nhiÒu tr êng hîp, chóng ta nghÜ sai lÇm http://www.ebook.edu.vn 51
r»ng chóng ta biÕt nguyªn nh©n. ThÝ dô, nhiÒu ng êi tin r»ng nh÷ng thay ®æi vÒ kho¶ng c¸ch gi÷a Tr¸i §Êt v MÆt Trêi chÞu tr¸ch nhiÖm vÒ nh÷ng thay ®æi cña c¸c mïa, r»ng mïa hÌ diÔn ra khi Tr¸i §Êt v MÆt Trêi ë gÇn nhau nhÊt. Nh ng Tr¸i §Êt v MÆt Trêi ë gÇn nhau nhÊt v o kho¶ng ng y 3 th¸ng Giªng - v o gi÷a mïa ®«ng ë B¾c b¸n cÇu! Còng nh vËy, MÆt Trêi ë xa Tr¸i §Êt nhÊt v o ng y 3 th¸ng 7, thêi gian m c d©n B¾c b¸n cÇu kh«ng liªn quan víi mïa ®«ng, m víi nh÷ng ng y d i v nãng lùc, víi cuéc d· ngo¹i víi thÞt n íng ngo i trêi v ph¸o hoa. VËy ë ®©y râ r ng l ph¶i cã mét c¸ch gi¶i thÝch kh¸c. Trong ch ¬ng n y, chóng t«i sÏ m« t¶ chÝnh x¸c quü ®¹o Tr¸i §Êt quanh MÆt Trêi t¹o ra c¸c mïa cña chóng ta ra sao. Chóng t«i b¾t ®Çu b»ng mét sè ®iÒu c¬ b¶n. N¨ng l îng N¨ng l îng theo truyÒn thèng ® îc ®Þnh nghÜa l “kh¶ n¨ng thùc hiÖn c«ng”. §Þnh nghÜa n y kh«ng ho n to n chÝnh x¸c v nã l¹i l m n¶y sinh nh÷ng c©u hái (C«ng l g×?), song kh«ng thÓ l m g× kh¸ h¬n trong v i lêi ® îc. Thay v× lang thang qu¸ xa ®i t×m mét ®Þnh nghÜa chÝnh x¸c, chóng ta sÏ thõa nhËn mäi ng êi ®Òu Ýt nhÊt cã mét ý niÖm mang m¸ng vÒ n¨ng l îng nh mét t¸c nh©n cã kh¶ n¨ng l m cho mét vËt chuyÓn ®éng, l m nãng mét chiÕc Êm ®un n íc, hay nãi c¸ch kh¸c, biÓu hiÖn chÝnh m×nh trong c¸c sù kiÖn h ng ng y. §¬n vÞ chuÈn cña n¨ng l îng trong HÖ Quèc tÕ (SI) dïng trong c¸c øng dông khoa häc l jun (ký hiÖu b»ng J). MÆc dï c¸c sinh viªn cã thÓ quen h¬n víi calo nh l ®¬n vÞ cña n¨ng l îng, nh ng trong ng÷ c¶nh n y th× jun hay h¬n (1 J = 0,239 calo). Mét thuËt ng÷ liªn quan, c«ng, l tèc ®é m n¨ng l îng ® îc gi¶i phãng, truyÒn ®i, hay ® îc nhËn. §¬n vÞ cña c«ng l wat (W), nã t ¬ng øng víi 1 J trong 1 gi©y. ThËm chÝ mét ho¹t ®éng ®¬n gi¶n nhÊt ®ßi hái sù truyÒn n¨ng l îng. ThËt vËy, trong khi b¹n ®ang ®äc nh÷ng tõ n y, th× sù truyÒn n¨ng l îng ®ang diÔn ra khi n¨ng l îng hãa häc tõ thøc ¨n m b¹n ®· ¨n, ® îc chuyÓn hãa th nh ®éng n¨ng (n¨ng l îng cña chuyÓn ®éng) cÇn thiÕt ®Ó di chuyÓn m¾t b¹n qua nh÷ng dßng ch÷. Nh ng c¬ thÓ b¹n, gièng nh mét chiÕc m¸y bÊt kú kh¸c, kh«ng ho n to n ho n h¶o, nã l m mÊt mét sè n¨ng l îng nhiÖt (nhiÖt l îng) khi n¨ng l îng hãa häc ® îc chuyÓn hãa th nh ®éng n¨ng. VËy c¸c c¬ cña m¾t b¹n l m mÊt nhiÖt khi chóng co v gi·n. Kh¸i niÖm n y ® îc ¸p dông v o khÝ quyÓn cña chóng ta. Kho¶ng 2 phÇn tØ cña n¨ng l îng do MÆt Trêi ph¸t ra ® îc truyÒn cho Tr¸i §Êt nh l bøc x¹ ®iÖn tõ, mét phÇn trong sè ®ã ® îc hÊp thô trùc tiÕp bëi khÝ quyÓn v bÒ mÆt. Bøc x¹ ®ã cung cÊp n¨ng l îng cho chuyÓn ®éng cña khÝ quyÓn, sù lín lªn cña thùc vËt, bay h¬i n íc v v« sè nh÷ng ho¹t ®éng kh¸c. C¸c lo¹i n¨ng l îng N¨ng l îng cã thÓ biÓu hiÖn trong rÊt nhiÒu d¹ng. Chóng ta hay nãi vÒ n¨ng l îng bøc x¹, n¨ng l îng ®iÖn, n¨ng l îng h¹t nh©n v n¨ng l îng hãa häc; nh ng mét c¸ch chÝnh x¸c, tÊt c¶ c¸c d¹ng cña n¨ng l îng thuéc vÒ c¸c ph¹m trï chung ®éng n¨ng v thÕ n¨ng. §iÒu n y ® îc minh häa trªn h×nh 2.1. http://www.ebook.edu.vn 52
§éng n¨ng cã thÓ xem nh n¨ng l îng ® îc sö dông v th êng ® îc m« t¶ nh l n¨ng l îng cña chuyÓn ®éng. ChuyÓn ®éng cã thÓ tån t¹i ë quy m« lín nh trong chuyÓn ®éng cña vËt tõ n¬i n y ®Õn n¬i kh¸c. Nh÷ng thÝ dô x¶y ra trong tù nhiªn bao gåm c¸c h¹t m a r¬i (h×nh 2.2a), n íc ch¶y qua mét con kªnh v c¸c h¹t bôi mang ®i trong giã. ChuyÓn ®éng cña ®éng n¨ng còng cã thÓ diÔn ra ë mét quy m« nhá nh trong tr êng hîp rung ®éng hoÆc xoay cña ph©n tö (® îc minh häa trªn h×nh 2.2b). Mét vËt r¾n cã thÓ t ëng nh ®øng yªn, nh ng c¸c ph©n tö cña nã ®ang thùc hiÖn mét sè rung ®éng. H×nh 2.1. N¨ng l îng cã mét sè d¹ng kh¸c nhau, song mçi d¹ng l¹i thuéc v o lo¹i ®éng n¨ng (n¨ng l îng cña chuyÓn ®éng) hoÆc thÕ n¨ng Ng îc l¹i, c¸c ph©n tö chÊt khÝ v chÊt láng kh«ng cè ®Þnh trong kh«ng gian, m di chuyÓn qua l¹i mét c¸ch ngÉu nhiªn (h×nh 2.3). Trong c¸c chÊt r¾n, chÊt láng hoÆc chÊt khÝ, tèc ®é rung ®éng hoÆc chuyÓn ®éng ngÉu nhiªn quyÕt ®Þnh nhiÖt ®é cña vËt. http://www.ebook.edu.vn 53
NÕu ®éng n¨ng l n¨ng l îng ® îc sö dông, th× thÕ n¨ng l n¨ng l îng cßn ch a ® îc sö dông. ThÕ n¨ng cã thÓ cã nhiÒu d¹ng. ThÝ dô, cacbohy®rat cña mét thùc vËt cã thÕ n¨ng cã thÓ ® îc tiªu thô bëi c¸c ®éng vËt (hoÆc bëi chÝnh thùc vËt) v sau ®ã ® îc ®ång hãa ®Ó thu n¨ng l îng cÇn thiÕt cho tÊt c¶ ho¹t ®éng sinh häc cña nã. Khi c¬ thÓ chóng ta ®ång hãa thøc ¨n l chóng ta ®ang sö dông thÕ n¨ng ®ã, chuyÓn hãa nã th nh ®éng n¨ng v gi¶i phãng nhiÖt l îng nh mét phô phÈm. H×nh 2.2. §éng n¨ng cã thÓ xuÊt hiÖn khi chuyÓn ®éng liªn quan víi c¸c vËt chuyÓn ®éng, nh h¹t m a r¬i trong (a) hoÆc sù rung v xoay cña ph©n tö n íc (b). Tèc ®é rung hoÆc xoay c ng lín th× nhiÖt ®é cña vËt c ng cao Mét d¹ng kh¸c cña thÕ n¨ng sinh ra tõ vÞ trÝ cña vËt. ThÝ dô, xÐt mét h¹t m©y ®ang chiÕm mét vÞ trÝ n o ®ã bªn trªn bÒ mÆt Tr¸i §Êt. Gièng nh tÊt c¶ c¸c vËt kh¸c, h¹t m©y chÞu t¸c ®éng cña träng lùc. Khi r¬i xuèng phÝa mÆt ®Êt, thÕ n¨ng cña nã ® îc chuyÓn th nh ®éng n¨ng. Râ r ng, mùc cña h¹t m a c ng cao, kho¶ng c¸ch cã thÓ r¬i c ng lín v thÕ n¨ng cña nã c ng lín. §iÒu rÊt quan träng l ph¶i thÊy r»ng h¹t m a kh«ng ®i lªn ® îc ®é cao cña nã b»ng søc m¹nh siªu nhiªn, bëi v× mét n¨ng H×nh 2.3. C¸c ph©n tö khÝ kh«ng g¾n bã l îng ®· ® îc sö dông ®Ó n©ng khèi l îng víi nhau nh c¸c ph©n tö chÊt r¾n v cña nã lªn vÞ trÝ ban ®Çu. láng v di chuyÓn mét c¸ch ngÉu nhiªn Nh÷ng c¬ chÕ truyÒn n¨ng l îng TruyÒn dÉn. N¨ng l îng cã thÓ ® îc truyÒn tõ mét n¬i ®Õn n¬i kh¸c b»ng ba qu¸ tr×nh: truyÒn dÉn, ®èi l u v ph¸t x¹. TruyÒn dÉn l sù di chuyÓn nhiÖt l îng qua mét vËt kh«ng cã sù di chuyÓn cña c¸c ph©n tö trong h íng truyÒn nhiÖt. Mét thÝ dô ®¬n gi¶n nhÊt l thanh kim lo¹i víi mét ®Çu ® îc ®Æt bªn trªn lß löa. PhÇn http://www.ebook.edu.vn 54
thanh kim lo¹i bªn trªn ngän löa ® îc nung nãng v c¸c ph©n tö ë ®ã nhËn n¨ng l îng. Mét phÇn n¨ng l îng ®ã truyÒn cho c¸c ph©n tö l¸ng giÒng, nh÷ng ph©n tö n y vÒ phÇn m×nh l¹i truyÒn nhiÖt l îng cho c¸c ph©n tö bªn c¹nh. (C¬ chÕ chÝnh x¸c cña “truyÒn“ ph©n tö tïy thuéc v o chÊt - trong c¸c kim lo¹i nã chñ yÕu ® îc thùc hiÖn bëi c¸c ®iÖn tö.) Qu¸ tr×nh n y diÔn ra ë kh¾p chiÒu d i cña thanh, cho nªn sau mét thêi gian ng¾n to n bé thanh kim lo¹i trë nªn rÊt nãng. Sù truyÒn nhiÖt tõ phÇn nãng h¬n tíi phÇn l¹nh h¬n cña thanh l truyÒn dÉn. L u ý r»ng mÆc dï nhiÖt ®i qua thanh kim lo¹i, nh ng c¸c ph©n tö cña thanh kim lo¹i kh«ng di chuyÓn. Sù truyÒn dÉn hiÖu qu¶ nhÊt trong c¸c vËt liÖu r¾n, nh ng nh sÏ thÊy ë ch ¬ng 3, nã còng l mét qu¸ tr×nh quan träng trong mét líp kh«ng khÝ rÊt máng gÇn bÒ mÆt Tr¸i §Êt. §èi l u. TruyÒn nhiÖt b»ng sù x¸o trén cña chÊt láng gäi l ®èi l u. Kh¸c víi truyÒn dÉn, ®èi l u ® îc thùc hiÖn bëi sù di dêi (chuyÓn ®éng) cña m«i tr êng. B¹n cã thÓ quan s¸t qu¸ tr×nh n y b»ng c¸ch nh×n mét b×nh n íc s«i trªn bÕp lß. N íc ë ®¸y b×nh n»m gÇn nguån n¨ng l îng nhÊt nªn bÞ nãng lªn nhanh nhÊt. Khi nãng lªn n íc në ra, trë nªn kÐm ®Ëm ®Æc h¬n v næi lªn bÒ mÆt. N íc næi lªn dÜ nhiªn ph¶i ® îc thay thÕ bëi n íc tõ phÝa trªn, cho nªn n íc ban ®Çu ë bÒ mÆt ch×m xuèng ®¸y b×nh. Nh÷ng chuyÓn ®éng næi lªn v ch×m xuèng n y g©y nªn sù di chuyÓn nhanh kh«ng chØ cña khèi l îng m c¶ n¨ng l îng nhiÖt chøa trong n íc chu chuyÓn. §èi l u trong khÝ quyÓn kh«ng kh¸c nhiÒu víi ®èi l u ë trong mét b×nh n íc s«i. Trong thêi gian ban ng y, sù nung nãng cña bÒ mÆt Tr¸i §Êt l m nãng mét líp kh«ng khÝ rÊt máng (®é d y cì 1 mm) tiÕp xóc víi bÒ mÆt. Bªn trªn líp ph©n tÇng máng n y, kh«ng khÝ bÞ l m nãng tõ phÝa d íi në ra v næi lªn phÝa trªn nhê ®é næi vèn cã cña kh«ng khÝ nãng (xu thÕ cña mét vËt láng nhÑ (chÊt láng hay chÊt khÝ) næi lªn trªn khi bÞ bao quanh bëi mét chÊt láng nÆng h¬n). Kh¸c víi n íc trong mét chiÕc b×nh, khÝ quyÓn cã thÓ thùc hiÖn ®èi l u ngay c¶ khi kh«ng cã ®é næi th«ng qua mét qu¸ tr×nh ® îc gäi l ®èi l u c ìng bøc, sù x¸o trén th¼ng ®øng diÔn ra khi giã thæi. Nh÷ng qu¸ tr×nh n y ® îc th¶o luËn chi tiÕt h¬n ë ch ¬ng 3. Bøc x¹. Trong sè ba c¬ chÕ truyÒn n¨ng l îng th× bøc x¹ l mét c¬ chÕ duy nhÊt cã thÓ ph¸t triÓn kh«ng cÇn mét m«i tr êng truyÒn. Nãi c¸ch kh¸c, kh«ng gièng víi truyÒn dÉn v ®èi l u, truyÒn n¨ng l îng b»ng bøc x¹ cã thÓ x¶y ra qua kh«ng gian rçng. Thùc tÕ tÊt c¶ n¨ng l îng cã trªn Tr¸i §Êt b¾t nguån tõ ng«i sao l©n cËn (theo ng«n tõ thiªn v¨n häc) m chóng ta gäi l MÆt Trêi, mét th nh viªn cña Ng©n H (h×nh 2.4). KhÝ quyÓn cßn cã nh÷ng nguån n¨ng l îng kh¸c: nh÷ng l îng bøc x¹ nhá bÐ nhËn ® îc tõ h ng tØ ng«i sao kh¸c trong vò trô v mét Ýt n¨ng l îng ®¹t tíi bÒ mÆt tõ trong lßng Tr¸i §Êt. Tuy nhiªn, sù ®ãng gãp cña nh÷ng nguån ®ã v« cïng nhá bÐ so víi n¨ng l îng nhËn ® îc tõ MÆt Trêi. B©y giê chóng ta xem xÐt c¸c ®Æc ®iÓm cña bøc x¹ v c¸i c¸ch m sù ®Þnh h íng cña Tr¸i §Êt ¶nh h ëng tíi bøc x¹ nhËn ® îc. Nh÷ng biÕn thiªn theo kh«ng gian v theo mïa trong qu¸ tr×nh thu nhËn n¨ng l îng MÆt Trêi kh«ng chØ l nh÷ng g× trõu t îng ®¬n thuÇn, m l lùc ®iÒu khiÓn cña thùc tÕ tÊt c¶ c¸c qu¸ http://www.ebook.edu.vn 55
tr×nh ® îc xÐt ë phÇn cßn l¹i cña cuèn s¸ch n y. Bøc x¹ Bøc x¹ ® îc ph¸t ra bëi tÊt c¶ c¸c vËt. VËy mäi thø - kÓ c¶ c¸c v× sao, Tr¸i §Êt, b¶n th©n chóng ta v cuèn s¸ch n y - ®ang kh«ng ngõng ph¸t ra n¨ng l îng ®iÖn tõ. TÊt c¶ chóng ta ®Òu quen thuéc víi n¨ng l îng ®iÖn tõ d íi nhiÒu h×nh thøc cña nã. Chóng ta nh×n thÊy m«i tr êng xung quanh nhê mét kiÓu bøc x¹ nhÊt ®Þnh m chóng ta gäi l nh÷ng va ch¹m ¸nh s¸ng nh×n thÊy lªn m¾t m×nh, sau ®ã nã göi c¸c tÝn hiÖu tíi thÇn kinh ®Ó t¹o ra c¸c ¶nh thÊy ® îc. Mét kiÓu n¨ng l îng ®iÖn tõ kh¸c ® îc dïng khi chóng ta l m nãng b÷a ¨n trong mét lß vi sãng; bøc x¹ kÝch thÝch rung c¸c ph©n tö cña thøc ¨n v do ®ã l m t¨ng nhiÖt ®é cña nã. Nh÷ng kiÓu bøc x¹ kh¸c cã thÓ Ýt Ých lîi h¬n hay thËm chÝ cã h¹i, nh bøc x¹ cùc tÝm, nã cã thÓ dÉn tíi báng da, c¸c lo¹i bÖnh v thËm chÝ c¸i chÕt. MÆc dï c¸c kiÓu bøc x¹ kh¸c nhau cã nh÷ng t¸c ®éng kh¸c nhau, tÊt c¶ rÊt gièng nhau ë chç chóng ® îc truyÒn ®i nh mét lo¹t c¸c sãng. H×nh 2.4. HÖ MÆt Trêi l mét bé phËn cña Ng©n H , mét thiªn h ®iÓn h×nh chøa h¬n 100 tØ ng«i sao. (a) Bøc vÏ nghÖ thuËt. (b) ¶nh hång ngo¹i gãc réng vÒ d¶i Ng©n H H·y so s¸nh víi sãng do mét hßn ®¸ nÐm v o bÓ n íc t¹o ra. Sãng ® îc thÓ hiÖn b»ng mét dao ®éng ë bÒ mÆt n íc víi nh÷ng ®Ønh (c¸c ®iÓm cao trªn mÆt dËy sãng) v ch©n (c¸c ®iÓm thÊp). Khi b¹n quan s¸t sù n©ng lªn v h¹ xuèng ®Òu ®Æn cña bÒ mÆt lóc sãng ®i qua, b¹n biÕt n¨ng l îng ®ang ® îc truyÒn ®i. Trong tr êng hîp víi bøc x¹, c¸c sãng l nh÷ng dao ®éng ®iÖn v tõ. Cã nghÜa bøc x¹ bao gåm mét sãng ®iÖn v mét sãng tõ. B»ng nh÷ng thiÕt bÞ phï hîp, chóng ta cã thÓ ph¸t hiÖn nh÷ng biÕn thiªn ®iÖn v tõ Êy - tõ ®ã m cã thuËt ng÷ bøc x¹ ®iÖn tõ. Khi mét vËt ph¸t ra bøc x¹, c¶ ®iÖn tr êng v tõ tr êng ® îc ph¸t ra ngo i. T¹i mét ®iÓm cè ®Þnh trong kh«ng gian, c êng ®é cña c¶ hai tr êng t¨ng v gi¶m mét c¸ch nhÞp nh ng, do ®ã t¹o th nh c¸c sãng ®iÖn v tõ, mçi sãng cã h×nh d¹ng ®Ønh tíi ch©n cña riªng m×nh. C¸c sãng ®iÖn v tõ vu«ng gãc víi nhau, nh biÓu diÔn trªn http://www.ebook.edu.vn 56
h×nh 2.5. §iÒu quan träng h¬n l c¸c hîp phÇn ®iÖn v tõ lu«n sãng ®«i víi nhau - c¶ hai t¨ng v gi¶m mét c¸ch hßa hîp. L îng v chÊt cña bøc x¹ §Ó m« t¶ bøc x¹ ®iÖn tõ mét c¸ch ®Çy ®ñ, chóng t«i cÇn cung cÊp mét sè th«ng tin vÒ l îng n¨ng l îng truyÒn ®i (sè l îng) v kiÓu, hay chÊt l îng cña n¨ng l îng. §iÒu n y t ¬ng tù nh khi m« t¶ träng l îng cña ai ®ã, chóng ta cã thÓ nãi ra sè l îng th nh c©n v chØ ra chÊt l îng nÕu dïng c¸c tõ nh “rÊt nhÏo”. Trong tr êng hîp bøc x¹, l îng liªn quan víi ®é cao cña sãng, hay biªn ®é cña nã. NÕu mäi thø kh¸c nh nhau, l îng n¨ng l îng mang ®i trùc tiÕp tû lÖ víi biªn ®é sãng. H×nh 2.5. Bøc x¹ ®iÖn tõ gåm mét sãng ®iÖn (E) v mét sãng tõ (M). Khi bøc x¹ truyÒn ®i, c¸c sãng di chuyÓn trong h íng biÓu diÔn b»ng mòi tªn d i (g¹ch nèi). C¸c sãng ë (a) v (b) cã cïng biªn ®é nªn c êng ®é bøc x¹ nh nhau. Tuy nhiªn, (a) cã b íc sãng ng¾n h¬n, nªn nã kh¸c vÒ chÊt so víi (b). Tïy thuéc v o c¸c b íc sãng chÝnh x¸c ® îc xÐt, bøc x¹ ë (a) cã thÓ ®i qua khÝ quyÓn, trong khi ë (b) cã thÓ bÞ hÊp thô L îng hay “kiÓu” cña bøc x¹ liªn quan tíi mét tÝnh chÊt kh¸c cña sãng - kho¶ng c¸ch gi÷a c¸c ®Ønh sãng. H×nh 2.5 biÓu diÔn c¸c sãng ®iÖn tõ di chuyÓn trong cïng mét h íng. TÊt c¶ cã cïng mét biªn ®é, nh ng kho¶ng c¸ch gi÷a c¸c ®Ønh sãng riªng rÏ l nhá h¬n ®èi víi sãng ® îc vÏ ë bªn trªn. Do ®ã, sãng bªn trªn cã b íc sãng ng¾n h¬n, b íc sãng l kho¶ng c¸ch gi÷a hai ®iÓm t ¬ng øng bÊt kú (®Ønh ®Õn ®Ønh, ch©n ®Õn ch©n, v.v..). V× b íc sãng cña nã ng¾n h¬n, sãng ë h×nh 2.5a kh¸c vÒ chÊt v cã thÓ t¹o ra mét sè hiÖu øng so víi sãng ë h×nh 2.5b. ThÝ dô, bøc x¹ tia X cã mét b íc sãng cùc ng¾n v nã cã thÓ xuyªn qua c¸c m« tÕ b o mÒm. Ng îc l¹i, ¸nh s¸ng b×nh th êng cã mét b íc sãng d i h¬n, th× bÞ hÊp thô bëi da. So s¸nh víi nh÷ng vËt thÓ th êng ng y, th× bøc x¹ m chóng ta quan t©m ë ®©y cã nh÷ng b íc sãng rÊt nhá. V× vËy, ®Ó cho tiÖn lîi, ng êi ta x¸c ®Þnh c¸c b íc sãng b»ng nh÷ng ®¬n vÞ ®o rÊt nhá gäi l micr«mÐt (hoÆc micr«n) 1 micr«mÐt - ký hiÖu l m - b»ng mét phÇn triÖu cña 1 mÐt hay mét phÇn ngh×n cña 1 mm. TÊt c¶ c¸c d¹ng cña bøc x¹ ®iÖn tõ, bÊt chÊp b íc sãng, di chuyÓn ®i trong kh«ng gian víi tèc ®é cña ¸nh s¸ng, b»ng kho¶ng 300 000 km/s. Víi tèc ®é n y, cÇn 8 phót ®Ó n¨ng l îng tõ MÆt Trêi ®¹t tíi Tr¸i §Êt. N¨ng l îng nhËn ® îc tõ nh÷ng v× sao kh¸c, xa c¸ch h¬n, cÇn thêi gian l©u h¬n ®Ó tíi ® îc Tr¸i §Êt. ThÝ dô, bøc x¹ http://www.ebook.edu.vn 57
tõ v× sao gÇn nhÊt tiÕp theo, sao Proxima Centauri, ph¶i du ngo¹n trong kh«ng gian 4,3 n¨m tr íc khi tíi ® îc víi chóng ta. MÆc dï cã vÎ nh ®ã l mét qu·ng thêi gian d i, song còng chØ l rÊt nhá bÐ so víi nh÷ng tØ n¨m cÇn thiÕt ®Ó ¸nh s¸ng tõ mét ng«i sao xa ®Õn ® îc víi Tr¸i §Êt. N¨ng l îng ®iÖn tõ cã v« v n c¸c b íc sãng, nh ng chóng ta cã thÓ l m ®¬n gi¶n hãa vÊn ®Ò b»ng c¸ch ph©n lo¹i c¸c b íc sãng th nh mét sè b¨ng riªng rÏ nh trªn h×nh 2.6 v b¶ng 2.1. B¨ng víi c¸c b íc sãng ng¾n nhÊt gåm c¸c tia Gama víi b íc sãng cùc ®¹i b»ng 0,0001 μ m . C¸c b¨ng b íc sãng d i h¬n, liÒn sau bao gåm c¸c tia X, tia cùc tÝm (UV), ¸nh s¸ng nh×n thÊy, ¸nh s¸ng cËn hång ngo¹i (NR), hång ngo¹i nhiÖt (IR), vi sãng v c¸c sãng v« tuyÕn. L u ý r»ng kh«ng cã g× l ®éc ®¸o hay ®Æc biÖt vÒ phÇn nh×n thÊy cña phæ ®iÖn tõ n y ngo i mét thùc tÕ l m¾t v hÖ thÇn kinh cña chóng ta ®· tiÕn hãa ®Ó cã thÓ c¶m nhËn ® îc lo¹i n¨ng l îng n y. Ngo¹i trõ c¸c b íc sãng cña m×nh, nh÷ng tia nh×n thÊy còng gièng nh mét d¹ng bÊt kú kh¸c cña n¨ng l îng ®iÖn tõ. H×nh 2.6. N¨ng l îng ®iÖn tõ cã thÓ ph©n lo¹i theo b íc sãng C êng ®é v b íc sãng cña bøc x¹ TÊt c¶ c¸c vËt ph¸t ra n¨ng l îng, kh«ng chØ t¹i mét b íc sãng ®¬n m trªn mét kho¶ng réng c¸c b íc sãng kh¸c nhau. H×nh 2.7a vÏ c êng ®é cña bøc x¹ ® îc ph¸t ra t¹i tÊt c¶ c¸c b íc sãng trong mçi gi©y bëi mét mÐt vu«ng bÒ mÆt cña MÆt Trêi (trªn) v cña Tr¸i §Êt (d íi). Chóng ta cã thÓ dÔ d ng thÊy r»ng mét ®¬n vÞ http://www.ebook.edu.vn 58
diÖn tÝch trªn MÆt Trêi ph¸t ra bøc x¹ lín h¬n nhiÒu (kho¶ng 160 000 lÇn) so víi cïng diÖn tÝch Êy trªn Tr¸i §Êt (chó ý r»ng ® êng cong biÓu diÔn ph¸t x¹ Tr¸i §Êt ®· ® îc phãng ®¹i thùc sù rÊt nhiÒu - nÕu nh vÏ víi tØ lÖ thùc, th× nã qu¸ bÐ kh«ng nh×n thÊy). H×nh d¸ng cña ® êng cong biÓu diÔn c êng ®é cña n¨ng l îng do Tr¸i §Êt ph¸t ra t¹i nh÷ng b íc sãng kh¸c nhau (h×nh 2.7b) t ¬ng tù nh cña MÆt Trêi, nh ng tæng n¨ng l îng ® îc gi¶i phãng nhá h¬n nhiÒu, cßn ®Ønh cña ® êng cong t ¬ng øng víi mét b íc sãng d i h¬n. B¶ng 2.1. C¸c cÊp b íc sãng B íc sãng ( μ m) KiÓu n¨ng l îng Gama 1 000 000 (1 m) H×nh 2.7. N¨ng l îng ph¸t ra cña c¸c chÊt cã d¶i b íc sãng réng. Do nhiÖt ®é cao h¬n, ph¸t x¹ tõ mét ®¬n vÞ diÖn tÝch MÆt Trêi (a) 160000 lÇn m¹nh h¬n ph¸t x¹ cña cïng diÖn tÝch trªn Tr¸i §Êt (b). Bøc x¹ cña MÆt Trêi cÊu t¹o tõ c¸c b íc sãng ng¾n h¬n cña Tr¸i §Êt DÜ nhiªn, l îng bøc x¹ ph¸t ra v c¸c b íc sãng kh«ng ph¶i l kÕt qu¶ cña sù ngÉu nhiªn ®¬n thuÇn; c¸c ®Æc tr ng ®ã tu©n theo mét sè ®Þnh luËt vËt lý c¬ b¶n. Nãi mét c¸ch chÝnh x¸c, c¸c ®Þnh luËt ®ã chØ ¸p dông cho nh÷ng vËt ph¸t x¹ lý http://www.ebook.edu.vn 59
t ëng, gäi l c¸c vËt ®en. C¸c vËt ®en l nh÷ng vËt thuÇn tóy gi¶ thuyÕt - chóng kh«ng tån t¹i tù nhiªn - chóng ph¸t bøc x¹ cùc ®¹i cã thÓ t¹i tõng b íc sãng. Tr¸i §Êt v MÆt Trêi gÇn gièng c¸c vËt ®en v do ®ã, gÇn tu©n theo c¸c ®Þnh luËt s¾p ® îc m« t¶ d íi ®©y. Nh÷ng vËt liÖu kh¸c cã thÓ hoÆc kh«ng thÓ l c¸c vËt ®en xÊp xØ. Cô thÓ, khÝ quyÓn, cÊu t¹o tõ c¸c khÝ, ®Æc biÖt kh¸c xa víi mét vËt ®en, nªn chóng ta sÏ kh«ng xem nã nh mét vËt ®en. sù s«i cña n íc. MÆc dï thang Fahrenheit ®· bÞ bá ë 2-1 Nh÷ng nguyªn lý vËt lý: Cana®a v hÇu kh¾p c¸c n íc kh¸c trªn Ba thang nhiÖt ®é thÕ giíi, nh ng ë Mü nã vÉn l thang ® îc dïng réng r·i. Thang ®o nhiÖt ®é quen thuéc kh¸c TÊt c¶ chóng ta quen thuéc víi c¸c l thang Celssius, gäi theo tªn cña ng êi thang nhiÖt ®é Fahrenheit v Celsius s¸ng lËp, Anders Celsius, v o n¨m 1742. (hay b¸ch ph©n). Tuy rÊt cã Ých trong øng Thang Celsius g¸n c¸c trÞ sè 0o v 100o dông h ng ng y, song c¶ hai thang n y cho ®iÓm ®ãng b¨ng v ®iÓm s«i cña n íc, cã mét nh îc ®iÓm nghiªm träng - chóng cho nªn chØ cã 100 ®é Celsius gi÷a hai cho phÐp c¸c gi¸ trÞ ©m. C¸c ®¬n vÞ ®o ®iÓm. §iÒu ®ã cã nghÜa r»ng mét ®é kh¸c th× kh«ng nh vËy. ThÝ dô, nh÷ng Celsius lín h¬n mét ®é Fahrenheit. ThÝ tßa nh kh«ng cã ®é cao v träng l îng dô, thay ®æi 2 oC lín h¬n thay ®æi 2 oF. ©m, chiÕc xe kh«ng ch¹y víi tèc ®é ©m v Tuy nhiªn, ®iÒu ®ã kh«ng cã nghÜa nãi trÎ em kh«ng cã tuæi ©m. Nh ng sù tån mét nhiÖt ®é biÓu diÔn b»ng oC lu«n cao t¹i c¸c nhiÖt ®é ©m g©y Ên t îng r»ng c¸c h¬n so víi cïng nhiÖt ®é ®ã biÓu diÔn chÊt cã thÓ cã h m l îng nhiÖt ©m - mét b»ng oF; nã cã thÓ cao h¬n hoÆc thÊp h¬n. t×nh huèng kh«ng thÓ cã vÒ ph ¬ng diÖn §Ó chuyÓn ®æi tõ oC sang oF, chóng ta vËt lý. §Ó kh¾c phôc vÊn ®Ò n y, c¸c nh dïng c«ng thøc sau: khoa häc sö dông mét thang kh¸c ®Ó ®o o F = 9 / 5 ( o C + 32 ) . nhiÖt ®é, gäi l thang Kelvin. Trong hÖ §Ó chuyÓn ®æi tõ oF sang oC, ta dïng thèng n y, nhiÖt ®é 0 K l nhiÖt ®é thÊp o C = 5 / 9 ( o F − 32 ) . nhÊt cã thÓ, nã cã thÓ tån t¹i trong vò trô (thËm chÝ ë Wisconsin!). (L u ý r»ng chóng ta bá ®i ký hiÖu ®é víi thang n y v trùc tiÕp ®äc sè kelvin, *K). Mét nhiÖt ®é 0 K h m ý r»ng kh«ng kh«ng cã chuyÓn ®éng rung ph©n tö v do ®ã, kh«ng thÓ cã c¸c nhiÖt ®é d íi kh«ng tån t¹i víi thang n y. Fahrenheit v Celsius Mét thêi gian, thang nhiÖt ®é ® îc dïng trªn to n thÕ giíi l thang Fahrenheit. § îc Gabriel Fahrenheit ph¸t minh v o ®Çu nh÷ng n¨m 1700, thang n y g¸n c¸c trÞ sè 32o v 212o cho H×nh 1. C¸c thang nhiÖt ®é Kelvin, Celsius v ®iÓm ®ãng b¨ng v ®iÓm s«i cña n íc. Cã Fahrenheit 180 ®é Fahrenheit gi÷a sù ®ãng b¨ng v http://www.ebook.edu.vn 60
0 K sÏ t ¬ng øng víi − 273,16 o C . V× vËy, B¹n cã thÓ sö dông nh÷ng c«ng thøc o o n y ®Ó kiÓm tra thÊy − 40 F = −40 C . chuyÓn ®æi tõ oC sang K rÊt ®¬n gi¶n: Kelvin o K = C + 273,16 . Thang Kelvin thùc ra l c¶i biªn cña §Ó chuyÓn ®æi tõ K sang oC, chóng thang Celsius ®Ó cho c¸c gia sè cña c¶ hai ta dïng b»ng nhau. VËy nÕu nhiÖt ®é t¨ng lªn 1 o C = K − 273,16 . o C, th× nã còng t¨ng lªn 1 K. Kh¸c biÖt H×nh 1 biÓu diÔn c¸c thang Kelvin, duy nhÊt gi÷a hai thang l ®iÓm b¾t ®Çu; Celsius v Fahrenheit. §Þnh luËt Stefan-Boltzmann. Nh©n tè duy nhÊt quyÕt ®Þnh mét vËt ®en ph¸t ra bao nhiªu n¨ng l îng l nhiÖt ®é cña nã. C¸c vËt nãng h¬n ph¸t ra nhiÒu n¨ng l îng h¬n so víi c¸c vËt l¹nh h¬n; do ®ã, kh«ng ng¹c nhiªn nÕu mét miÕng s¾t nãng ph¸t nhiÒu n¨ng l îng h¬n mét côc b¨ng. Tuy nhiªn, ®iÒu rÊt thó vÞ l l îng bøc x¹ do mét vËt ph¸t ra kh«ng h¼n tØ lÖ víi nhiÖt ®é cña nã. Nãi c¸ch kh¸c, nhiÖt ®é t¨ng gÊp ®«i th× t¹o ra l îng bøc x¹ ph¸t t¨ng h¬n hai lÇn. Cô thÓ l c êng ®é n¨ng l îng do mét vËt ®en ph¸t t¨ng lªn theo lòy thõa bËc bèn cña nhiÖt ®é tuyÖt ®èi cña nã. Quan hÖ n y gäi l ®Þnh luËt Stefan-Boltzmann ®èi víi vËt ®en, ® îc biÓu diÔn nh sau: I =σ T 4, ë ®©y I chØ c êng ®é bøc x¹ b»ng W/m2, σ l h»ng sè Stefan-Boltzmann ( 5,67 ⋅ 10 −8 W/(m2.K4)) v T l nhiÖt ®é cña vËt b»ng K (xem chuyªn môc 2-1: Nh÷ng nguyªn lý vËt lý: Ba thang nhiÖt ®é). V× c êng ®é bøc x¹ phô thuéc v o nhiÖt ®é n©ng lªn lòy thõa bËc bèn, nªn nhiÖt ®é t¨ng gÊp ®«i sÏ dÉn tíi t¨ng 16 lÇn l îng ph¸t x¹. NÕu gi¶i ph ¬ng tr×nh Stefan-Boltzmann sö dông nhiÖt ®é trung b×nh cña bÒ mÆt Tr¸i §Êt (kho¶ng 290 K, 15 oC hay 59 oF) thÊy r»ng mét m2 ph¸t x¹ kho¶ng 401 W n¨ng l îng. Ng îc l¹i, bÒ mÆt MÆt Trêi víi nhiÖt ®é kho¶ng 6000 K (5700 oC hay 10300 oF) ph¸t x¹ kho¶ng 73 triÖu W/m2. Tuy c¸c vËt ®en thùc sù kh«ng tån t¹i tù nhiªn, chóng cung cÊp mét m« h×nh h÷u Ých ®Ó hiÓu l îng bøc x¹ cùc ®¹i cã thÓ ® îc ph¸t x¹. PhÇn lín c¸c chÊt láng v chÊt r¾n cã thÓ xem nh c¸c vËt x¸m, nghÜa l chóng ph¸t x¹ b»ng mét sè phÇn tr¨m cña l îng bøc x¹ cùc ®¹i cã thÓ t¹i mét nhiÖt ®é ®ang xÐt. Trong khi mét sè chÊt (thÝ dô n íc) cã hiÖu suÊt ph¸t n¨ng l îng cao, th× mét sè kh¸c (thÝ dô nh«m) kÐm hiÖu xuÊt h¬n. PhÇn n¨ng l îng ph¸t x¹ bëi mét chÊt so s¸nh víi ph¸t x¹ cña mét vËt ®en ® îc gäi l suÊt ph¸t x¹ cña nã. C¸c suÊt ph¸t x¹ biÕn thiªn tõ lín h¬n 0 mét chót tíi gÇn b»ng 100 % v ® îc ký hiÖu l ε . B»ng c¸ch kh¸i qu¸t suÊt ph¸t x¹ cña vËt bÊt kú, chóng ta rót ra ®Þnh luËt Stefan-Boltzmann ®Çy ®ñ: I = εσ T4. § a ra nh©n tö suÊt ph¸t x¹ cã nghÜa r»ng n¨ng l îng ®iÖn tõ do vËt x¸m n o ®ã ph¸t ra sÏ b»ng mét phÇn cña n¨ng l îng m vËt ®en ph¸t. Chó ý r»ng thËm chÝ nh vËy d¹ng vËt x¸m cña ®Þnh luËt Stefan-Boltzmann cho thÊy c êng ®é bøc x¹ l http://www.ebook.edu.vn 61
mét h m cña suÊt ph¸t x¹ v nhiÖt ®é, phÇn lín c¸c bÒ mÆt tù nhiªn cã suÊt ph¸t x¹ lín h¬n 0,9. Do ®ã, trong phÇn lín tr êng hîp nh÷ng kh¸c biÖt vÒ ph¸t x¹ l do nh÷ng kh¸c biÖt nhiÖt ®é quyÕt ®Þnh. KhÝ quyÓn l mét ngo¹i lÖ ®èi víi quy t¾c n y, bëi v× sù ph¸t x¹ phô thuéc v o mét sè nh©n tè, nh l îng h¬i n íc trong kh«ng khÝ. Ngo i ra, ®èi víi mét chÊt khÝ, cã sù biÕn thiªn rÊt lín vÒ ph¸t x¹ theo b íc sãng (xem chuyªn môc 2-2: Nh÷ng nguyªn lý vËt lý: B¶n chÊt cña bøc x¹, hÊp thô v ph¸t x¹); do ®ã, sÏ l kh«ng ®óng nÕu xem ph¸t x¹ khÝ quyÓn nh l ph¸t x¹ vËt ®en suy gi¶m. Nãi c¸ch kh¸c, kh¸i niÖm suÊt ph¸t x¹ mÊt ý nghÜa khi ¸p dông v o khÝ quyÓn. Tuy nhiªn, ®iÓm quan träng l khÝ quyÓn ch¾c ch¾n kh«ng ph¶i l vËt ph¸t bøc x¹ lý t ëng v do ®ã, nã ph¸t bøc x¹ t¹i nhiÖt ®é cô thÓ n o ®ã Ýt h¬n so víi mét vËt ®en. ®iÖn tö nh¶y trë l¹i møc n¨ng l îng tr íc ®©y cña m×nh, th× nã ®¸nh mÊt n¨ng 2-2 Nh÷ng nguyªn lý vËt lý: l îng d íi d¹ng mét ph«t«n. Bëi v× chØ cã Ýt vá gi¸n ®o¹n tån t¹i, nªn chØ cã nh÷ng B¶n chÊt cña bøc x¹, hÊp thô v ph¸t x¹ thay ®æi n¨ng l îng nhÊt ®Þnh l cã thÓ. §iÒu n y cã nghÜa r»ng, mét ph«t«n do Chóng ta th êng m« t¶ n¨ng l îng nguyªn tö ph¸t ra cã thÓ chØ chøa nh÷ng ®iÖn tõ truyÒn trong kh«ng gian nh mét l îng n¨ng l îng gi¸n ®o¹n nhÊt ®Þnh, chuçi sãng, nh ng trong nh÷ng ng÷ c¶nh t ¬ng øng víi l îng suy gi¶m n¨ng l îng n o ®ã, nã diÔn biÕn nh mét chïm h¹t. cña nguyªn tö. B¶n chÊt h¹t cña bøc x¹ ¸p dông t¹i quy Mét c¸ch t ¬ng tù, mét nguyªn tö bÞ m« quan s¸t nhá nhÊt, vi m«, khi ¸nh giíi h¹n ë nh÷ng ph«t«n m nã cã thÓ s¸ng nh×n thÊy ® îc ph¸t ra bëi mét hÊp thô, cô thÓ l nh÷ng ph«t«n n o víi nguyªn tö hay ph©n tö ®¬n lÎ. Khi ¸nh nh÷ng n¨ng l îng ®Èy ® îc nguyªn tö tíi s¸ng ® îc ph¸t ra, cã mét thay ®æi vÒ mét tr¹ng th¸i cho phÐp. N¨ng l îng cña nh÷ng ®Æc tr ng quü ®¹o cña c¸c ®iÖn tö mét ph«t«n chØ phô thuéc v o b íc sãng trong vËt ph¸t. Khi quü ®¹o thay ®æi, mét cña nã: nh÷ng ph«t«n ë c¸c b íc sãng chïm nhá n¨ng l îng, gäi l mét ph«t«n ng¾n h¬n cã nhiÒu n¨ng l îng h¬n nh÷ng ® îc gi¶i phãng. ph«t«n ë b íc sãng d i h¬n. Do ®ã, nÕu Sö dông thÝ dô ®¬n gi¶n, h·y t ëng b¹n biÕt b íc sãng cña mét ph«t«n, b¹n t îng mét nguyªn tö hy®r« (víi mét cã thÓ biÕt n¨ng l îng cña nã v b¹n cã pr«t«n v mét ®iÖn tö quay ®¬n ®éc). thÓ biÕt nguyªn tö cã thÓ ph¸t ra hay hÊp §iÖn tö kh«ng tù do ®Ó chÊp nhËn ngay thô ph«t«n ®ã. §©y l mét c¸ch gi¶i thÝch mét kho¶ng c¸ch quü ®¹o n o ®ã kÓ tõ buån tÎ r»ng nguyªn tö sÏ hÊp thô v nh©n. Ng îc l¹i, nã tiÕp tôc gi÷ cè ®Þnh ph¸t ra bøc x¹ chØ t¹i nh÷ng b íc sãng nh÷ng kho¶ng c¸ch quü ®¹o, gäi l c¸c vá nhÊt ®Þnh, hay mét c¸ch t ¬ng ® ong, (shells). Mçi vá liªn quan víi mét møc r»ng ph¸t x¹ v hÊp thô cÇn ph¶i cã tÝnh n¨ng l îng cho tr íc; kho¶ng c¸ch tõ chän läc. nh©n c ng xa, th× møc n¨ng l îng c ng DÜ nhiªn, khÝ quyÓn cña chóng ta lín. Nh ®· biÓu diÔn trªn h×nh 1, khi kh«ng t¹o th nh tõ nh÷ng nguyªn tö nguyªn tö hy®r« hÊp thô ®ñ n¨ng l îng, hy®r« ®¬n lÎ, nã chñ yÕu cÊu t¹o tõ c¸c nã cã thÓ trë th nh bÞ “kÝch thÝch” v ®iÖn ph©n tö cña nh÷ng chÊt khÝ. §èi víi tö cña nã nh¶y tõ “tr¹ng th¸i nÒn” ®Õn nh÷ng chÊt khÝ ®ã, c¸c thay ®æi vÒ møc mét vá cao h¬n. Mét c¸ch t ¬ng tù, nÕu n¨ng l îng sÏ phøc t¹p h¬n so víi cña c¸c http://www.ebook.edu.vn 62
nguyªn tö hy®r«, nh ng thùc tÕ vÉn gi÷ nguyªn l ph¸t x¹ v hÊp thô kÐo theo sù gi¶m hoÆc t¨ng møc n¨ng l îng v× ph«t«n ® îc gi¶i phãng hoÆc hÊp thô. H¬n n÷a, ph¸t x¹ v hÊp thô l¹i bÞ giíi h¹n bëi chÝnh nh÷ng b íc sãng n o l m cho ph©n tö di chuyÓn tíi mét tr¹ng th¸i n¨ng l îng ® îc cho phÐp. Tøc l c¸c chÊt khÝ khÝ quyÓn, gièng nh hy®r«, l nh÷ng vËt hÊp thô v ph¸t x¹ chän läc. §iÒu n y kh«ng ®óng ®èi víi c¸c chÊt láng v chÊt r¾n, chóng cã xu h íng ph¸t x¹ v hÊp thô ë mét d¶i b íc sãng réng. H×nh 1. C¸c ®iÖn tö quay quanh nh©n cña c¸c nguyªn tö Mét hÖ qu¶ rÊt quan träng trong nh÷ng vïng ®Þnh tr íc gäi l c¸c vá. H×nh n y vÏ cña tÊt c¶ nh÷ng ®iÒu n y l : khÝ mét ®iÖn tö ®¬n quay quanh nh©n mét nguyªn tö hy®r«. quyÓn v bÒ mÆt thÝch øng mét Khi nhËn n¨ng l îng, ®iÖn tö ë trong mét tr¹ng th¸i kÝch c¸ch kh¸c nhau ®èi víi bøc x¹ víi thÝch v nh¶y tíi vá tiÕp theo. Khi ®iÖn tö trë vÒ tr¹ng c¸c b íc sãng kh¸c nhau. Nh sÏ th¸i nÒn cña m×nh, nã gi¶i phãng n¨ng l îng d íi d¹ng thÊy say n y, nh÷ng nguyªn lý c¬ mét ph«t«n. Chó ý r»ng n¨ng l îng ph¸t ra bëi nh÷ng nguyªn tö nh thÕ ph¶i xuÊt hiÖn th nh c¸c chïm gi¸n b¶n n y sÏ gi¶i thÝch khÝ hËu v ®o¹n; ë quy m« nguyªn tö, c¸c ®¬n vÞ n¨ng l îng ® îc chia biÕn ®æi khÝ hËu cña Tr¸i §Êt. ra th nh nh÷ng gãi riªng §Þnh luËt Wien. Nh chóng ta thÊy ë h×nh 2.7, bøc x¹ do MÆt Trêi v Tr¸i §Êt ph¸t (hay vËt bÊt kú kh¸c) kh«ng ph¶i l mét b íc sãng ®¬n lÎ, v kh«ng ph¶i tÊt c¶ c¸c b íc sãng ph¸t víi sè l îng b»ng nhau. Trong tr êng hîp víi MÆt Trêi, b íc sãng ph¸t nhiÒu nhÊt l 0,5 μ m , trong khi n¨ng l îng ph¸t bëi Tr¸i §Êt cã ®Ønh ë gÇn 10 μ m . §èi víi vËt ph¸t bÊt kú, b íc sãng ®Ønh (b»ng μ m ) ® îc x¸c ®Þnh b»ng ®Þnh luËt Wien: h»ngsè λmax = , T trong ®ã λmax quy chiÕu tíi b íc sãng cña n¨ng l îng ph¸t c êng ®é lín nhÊt. §Æc biÖt h¬n l h»ng sè trong ph ¬ng tr×nh trªn ®©y l m trßn tíi gi¸ trÞ 2900 ®èi víi T tÝnh b»ng ®é K v λmax b»ng μ m . VËy chóng ta cã thÓ x¸c ®Þnh b íc sãng ®Ønh cña bøc x¹ ph¸t nh sau: λmax = 2900 / T . §Þnh luËt Wien nãi r»ng nh÷ng vËt nãng h¬n ph¸t n¨ng l îng t¹i c¸c b íc sãng ng¾n h¬n so víi nh÷ng vËt l¹nh. §iÒu n y kh«ng bÊt ngê, nÕu nhí r»ng c¸c b íc sãng ng¾n h¬n t ¬ng øng víi nh÷ng n¨ng l îng cao h¬n. C¸c vËt nãng cã nhiÖt n¨ng lín h¬n, ph¶i ph¸t ra mét phÇn n¨ng l îng cao h¬n t¹i c¸c b íc sãng http://www.ebook.edu.vn 63
n o ng¾n h¬n, mang n¨ng l îng h¬n. ThÝ dô, bøc x¹ MÆt Trêi m¹nh nhÊt ë phÇn nh×n thÊy cña phæ, mÆc dï nã ph¸t x¹ trong mét d¶i réng c¸c b íc sãng. PhÇn lín bøc x¹ cã b íc sãng nhá h¬n 4 μ m m chóng ta th êng gäi l bøc x¹ sãng ng¾n. Trong sè bøc x¹ do MÆt Trêi ph¸t, cã kho¶ng 46,5 % l cËn hång ngo¹i v nhiÖt hång ngo¹i, 46,8 % l ¸nh s¸ng nh×n thÊy v 6,7 % l cùc tÝm. Bøc x¹ xuÊt ph¸t tõ bÒ mÆt Tr¸i §Êt v khÝ quyÓn chñ yÕu gåm c¸c b íc sãng d i h¬n 4 μ m . Lo¹i n¨ng l îng ®iÖn tõ n y ® îc gäi l bøc x¹ sãng d i. Nh thÓ hiÖn trªn h×nh 2.7, c¸c vËt nãng h¬n ph¸t x¹ nhiÒu n¨ng l îng h¬n c¸c vËt l¹nh t¹i tÊt c¶ c¸c b íc sãng. ThÝ dô, MÆt Trêi ph¸t n¨ng l îng víi b íc sãng kho¶ng 0,5 μ m hiÖu qu¶ nhÊt v gi¶m ®i rÊt nhiÒu t¹i λ = 10 μ m . Tuy nhiªn, t¹i nh÷ng b íc sãng ®ã, MÆt Trêi ph¸t bøc x¹ nhiÒu h¬n so víi Tr¸i §Êt, mÆc dï thùc tÕ l Tr¸i §Êt kh«ng ph¸t bøc x¹ nh×n thÊy m chØ bøc x¹ sãng d i (xem chuyªn môc 2-3: Nh÷ng nguyªn lý vËt lý: MÆt Trêi). H×nh 2.8. ¶nh vÖ tinh m u cña B¾c Mü. C¸c ®é cao ®Ønh m©y ® îc suy ra nhê øng dông c¸c ®Þnh luËt bøc x¹ §Þnh luËt Stefan-Boltzmann v ®Þnh luËt Wien cã mét sè øng dông rÊt h÷u Ých v lý thó. B¹n ch¾c ch¾n ®· thÊy nh÷ng bøc ¶nh vÖ tinh m u biÓu diÔn ph©n bè m©y trªn B¾c Mü kiÓu nh b¶n ®å ë h×nh 2.8. Lo¹i ¶nh n y thÓ hiÖn ®é cao ®Ønh m©y cã thÓ ® îc dïng l m chØ thÞ vÒ c êng ®é gi¸ng thñy x¶y ra ë phÝa d íi. Nh÷ng ¶nh n y nhËn ® îc b»ng c¸ch ®o c êng ®é cña bøc x¹ hång ngo¹i do ®Ønh m©y ph¸t. C¸c bÒ mÆt l¹nh h¬n ph¸t x¹ n¨ng l îng kÐm m¹nh h¬n so víi c¸c vËt nãng. C¸c vÖ tinh thêi tiÕt ®o c êng ®é bøc x¹ ®Ó x¸c ®Þnh nhiÖt ®é ®Ønh m©y trªn mét khu vùc môc tiªu. Bëi v× m©y cao h¬n cã xu h íng l¹nh h¬n m©y mùc thÊp (h·y nhí l¹i r»ng http://www.ebook.edu.vn 64
trong ®èi l u quyÓn nhiÖt ®é cã xu h íng gi¶m theo ®é cao), c¸c nhiÖt ®é cã thÓ ® îc sö dông ®Ó suy ra ®é cao ®Ønh m©y v do ®ã, ®é d y t ¬ng ®èi cña m©y. VÒ phÝa m×nh, m©y c ng d y th× th êng ®Én tíi gi¸ng thñy m¹nh h¬n. ¶nh hång ngo¹i cã thÓ thu v o ban ®ªm còng nh ban ng y, bëi v× nã dùa trªn n¨ng l îng ph¸t x¹ tõ ®Ønh m©y chø kh«ng ph¶i ¸nh s¸ng ph¶n x¹. Quang quyÓn N¨ng l îng s¶n xuÊt trong lâi ph¸t 2-3 Nh÷ng nguyªn lý vËt lý: x¹ qua phÇn bªn trong cña MÆt Trêi ®Õn MÆt Trêi tíi ®¸y cña vïng ®èi l u, ë ®©y c¸c chÊt khÝ chuyÓn ®éng th¨ng mang n¨ng l îng lªn tíi líp bÒ mÆt t ¬ng ®èi máng, gäi l MÆt Trêi cã vÎ ®Æc biÖt ®èi víi chóng quang quyÓn. ta, nh ng nÕu so víi 100 tØ hoÆc h¬n nh÷ng v× sao kh¸c trong thiªn h cña chóng ta, th× nã kh«ng ph¶i l c¸i g× ®Æc biÖt ®éc ®¸o. MÆc dï c¸c v× sao rÊt kh¸c nhau vÒ kÝch th íc, nhiÖt ®é, ®é s¸ng v mËt ®é, MÆt Trêi thuéc lo¹i trung b×nh xÐt theo c¸c ®Æc tr ng ®ã. Râ r ng chóng ta ch a hÒ cã mét quan tr¾c n o vÒ phÇn bªn trong cña MÆt Trêi, nh ng dùa trªn nh÷ng nguyªn lý vËt lý m chóng ta cã thÓ suy ra nh÷ng qu¸ tr×nh x¶y ra ë t rong ®ã. Sö dông c¸c th«ng tin n y, chóng ta cã thÓ chia MÆt Trêi th nh ba phÇn (h×nh 1). Lâi v phÇn bªn trong H×nh 1. N¨ng l îng ® îc ph¸t ra trong lâi cña ë phÇn trong cïng nhÊt cña MÆt MÆt Trêi do sù nãng ch¶y h¹t nh©n. Bªn trong Trêi, lâi, nhiÖt ®é cùc cao (kho¶ng 15 MÆt Trêi n¨ng l îng ® îc ph¸t ra tíi ®¸y cña triÖu oC) v mËt ®é cao dÉn tíi c¸c qu¸ vïng ®èi l u, ë ®©y sù x¸o trén vËn chuyÓn n¨ng l îng lªn phÝa trªn tíi ®¸y cña quang tr×nh nãng ch¶y h¹t nh©n sinh n¨ng quyÓn (mét líp cña MÆt Trêi ® îc nh×n thÊy l îng. Trong ph¶n øng n y c¸c nguyªn tö tõ Tr¸i §Êt) hy®r« kÕt hîp d íi ¶nh h ëng nhiÖt l îng v ¸p suÊt khæng lå ®Ó t¹o th nh Quang quyÓn l mét líp cña MÆt mét sè l îng Ýt h¬n c¸c nguyªn tö hªli. Trêi ph¸t x¹ phÇn lín n¨ng l îng ph¸t Mét l îng khèi l îng nhÊt ®Þnh bÞ mÊt ®i cña nã v l phÇn m chóng ta thùc sù trong qu¸ tr×nh, nh ng n¨ng l îng bøc nh×n thÊy nh l ®Üa MÆt trêi. MÆc dï x¹ ® îc gi¶i phãng - chÝnh l thø n¨ng bøc x¹ truyÒn tõ quang quyÓn tíi Tr¸i l îng ®¹t tíi bÒ mÆt MÆt Trêi, truyÒn ®i §Êt chØ trong kho¶ng 8 phót, sù truyÒn trong vò trô v l m nãng to n bé Tr¸i n¨ng l îng bøc x¹ bªn trong MÆt Trêi §Êt. L îng n¨ng l îng ®ã rÊt biÕn ®éng. chËm h¬n nhiÒu. ThËt vËy, cÇn kho¶ng H·y thö t ëng t îng sù næ cña 100 tØ qu¶ mét triÖu n¨m ®Ó n¨ng l î ng gi¶i bom hy®r« 1 mªga tÊn - c¸i ®ã t ¬ng phãng trong lâi truyÒn tíi ®¸y quang ® ¬ng víi l îng n¨ng l îng ® îc gi¶i quyÓn; nh vËy n¨ng l îng ®¹t tíi ® îc phãng trong lâi mçi gi©y. Tr¸i §Êt l n¨ng l îng rÊt cæ. http://www.ebook.edu.vn 65
kho¶ng 10000 km v nhiÖt ®é kho¶ng NhiÖt ®é v mËt ®é cña quang quyÓn 1500 oC l¹nh h¬n bÒ mÆt xung quanh. t¨ng theo ®é s©u. V× vËy, r×a cña MÆt Trêi Chóng h×nh th nh ®Ó thÝch øng víi c¸c tõ Ýt s¸ng chãi h¬n t©m, mét hiÖn t îng tr êng ®Þa ph ¬ng rÊt m¹nh, 1000 lÇn ® îc gäi l vïng tèi r×a (h×nh 2). Líp m¹nh h¬n tõ tr íng cña quang quyÓn thÊp h¬n cña quang quyÓn ®Ëm ®Æc h¬n xung quanh, ng¨n c¶n nhiÖt tråi lªn tõ v nãng h¬n so víi phÇn bªn trªn, nªn nã phÝa d íi. ph¸t x¹ n¨ng l îng m¹nh h¬n rÊt nhiÒu. ViÖc ghi nhËn ho¹t ®éng cña c¸c vÕt ®en duy tr× tõ thêi Galileo Galilei (1564- ViÖc kh¸m ph¸ quang quyÓn b»ng 1642), ng êi ®· tõng quan s¸t sù di kÝnh thiªn v¨n cho thÊy r»ng líp bªn chuyÓn biÓu kiÕn cña chóng trªn bÒ mÆt ngo i kh«ng ph¶i l mét bÒ mÆt ®ång MÆt Trêi. nhÊt, b»ng ph¼ng. Ng îc l¹i, nã gåm mét sè th nh t¹o víi kÝch th íc v thßi gian sèng kh¸c nhau. (a) (b) H×nh 2. (a) Vïng tèi r×a x¶y ra xung quanh r×a Ng y nay, chóng ta biÕt r»ng c¸c vÕt MÆt Trêi bëi v× mËt ®é v nhiÖt ®é cña quang ®en gi÷ nguyªn vÞ trÝ v t ëng nh di quyÓn t¨ng theo ®é s©u. (b) V× vïng tèi r×a, chuyÓn chØ l v× sù xoay cña MÆt Trêi phÇn bªn ngo i cña ®Üa MÆt Trêi ph¸t Ýt n¨ng (cÇn kho¶ng 24 ng y v 16 giê ®Ó ho n l îng h¬n v tèi h¬n phÇn bªn trong th nh mét vßng quay). Sè l îng vÕt ®en cã xu h íng ®¹t ®Ønh ®iÓm sau tõng 11 C¸c h¹t (granules) l nh÷ng ®Ønh ®· n¨m (h×nh 3). MÆc dï chu tr×nh th êng tõng tån t¹i cña c¸c nh©n ®èi l u, vËn kh¸ x¸c ®Þnh, nh÷ng giai ®o¹n ho¹t ®éng chuyÓn n¨ng l îng tõ ®¸y quang quyÓn vÕt ®en cùc thÊp hay cùc cao bÊt th êng lªn bÒ mÆt cña nã. Nh÷ng th nh t¹o n y ®· x¶y ra trong nh÷ng thêi gian lÞch sö. gièng nh nh÷ng bät khÝ trong mét b×nh ThÝ dô, h×nh 3 cho thÊy mét thêi kú d i n íc s«i, cã ® êng kÝnh kho¶ng 1000 km trong thÕ kû 17 ho¹t ®éng vÕt ®en suy v tuæi tõ 5 ®Õn 10 phót. T¹i mçi thêi gi¶m. (Kho¶ng trèng n y kh«ng xuÊt ®iÓm cã h ng triÖu h¹t nh vËy trªn bÒ hiÖn ë tÊt c¶ c¸c quan tr¾c). Trong nhiÒu mÆt cña quang quyÓn. n¨m c¸c nh khoa häc ®· suy nghÜ vÒ vai C¸c vÕt ®en MÆt Trêi (mçi vÕt kÐo trß cã thÓ cã cña ho¹t ®éng vÕt ®en ®èi víi d i mét sè tuÇn hoÆc th¸ng) l nh÷ng biÕn ®æi khÝ hËu Tr¸i §Êt, nh ng nh÷ng vïng tèi ë quang quyÓn víi ® êng kÝnh http://www.ebook.edu.vn 66
mèi liªn hÖ nãi chung rÊt yÕu v mang khæng lå, ®Æc biÖt d íi d¹ng tia X v bøc tÝnh kinh nghiÖm. V× kh«ng biÕt mét c¬ x¹ cùc tÝm. chÕ nh©n qu¶ n o gi÷a c¸c vÕt ®en v khÝ Cr«m quyÓn v Corona hËu, nªn chóng ta cã thÓ rÊt ho i nghi vÒ Bªn trªn quang quyÓn l cr«m vÊn ®Ò n y. quyÓn (phÇn thÊp) v corona (phÇn cao Cã lÏ biÓu hiÖn râ nhÊt cña nh÷ng h¬n) cña bÇu khÝ quyÓn MÆt Trêi. Tr¸i nhiÔu ®éng MÆt Trêi l c¸c chíp s¸ng, ng îc víi nÒn s¸ng m¹nh cña quang nh÷ng lãe s¸ng rÊt nãng (kho¶ng 100 quyÓn, cr«m quyÓn th êng l kh«ng nh×n triÖu oC) trªn bÒ mÆt quang quyÓn do thÊy. Tuy nhiªn, trong nh÷ng kú nhËt nh÷ng bÊt æn ®Þnh tõ. NhiÖt ®é bªn trong thùc, MÆt Tr¨ng che ch¾n mÊt quang c¸c chíp s¸ng cã thÓ ®¹t tíi 100 000 000 quyÓn s¸ng h¬n, nªn cr«m quyÓn dÔ nh×n K, v c¸c th nh t¹o n y rÊt cã tÝnh bïng thÊy. Ngo i ra, nÕu nhËt thùc x¶y ra sao ph¸t, nªn chóng ®· ® îc vÝ nh nh÷ng cho MÆt Tr¨ng cã thÓ l m tèi c¶ quang tr¸i bom cùc lín næ trªn bÒ mÆt MÆt Trêi. quyÓn v cr«m quyÓn, th× corona xuÊt MÆc dï chóng chØ tån t¹i cì v i phót, hiÖn, nh ë h×nh 4. nh ng gi¶i phãng mét l îng n¨ng l îng H×nh 3. C¸c vÕt ®en MÆt Trêi cã vÎ diÔn biÕn t ¬ng ®èi ®Òu ®Æn, ®Ønh lÆp l¹i sau tõng 11 n¨m. Tuy nhiªn, l u ý trªn b¨ng ghi d i nhÊt n y, sè vÕt ®en trong c¸c thêi kú ho¹t ®éng ®Ønh cao thay ®æi ®¸ng kÓ. ThÝ dô, phÇn lín thÕ kû 17 l thêi kú ho¹t ®éng vÕt ®en cùc tiÓu Ngo i n¨ng l îng ®iÖn tõ ph¸t x¹, corona ph¸t ra c¸c pr«t«n, ®iÖn tö v nh÷ng h¹t d íi nguyªn tö kh¸c, tÊt c¶ ® îc gäi l giã MÆt Trêi. C¸c h¹t n y cã thÓ bÞ bÉy bëi tõ tr êng Tr¸i §Êt, n¬i ®©y chóng cã t ¬ng t¸c víi c¸c chÊt khÝ ë tÇng «z«n ®Ó sinh ra hiÖn t îng ph¸t quang (xem h×nh 1.12). Nh÷ng thêi kú ho¹t ®éng giã MÆt Trêi m¹nh bÊt th êng cã thÓ ¶nh h ëng tíi viÖc thu H×nh 4. KhÝ quyÓn MÆt Trêi gåm cr«m quyÓn ph¸t sãng v« tuyÕn v truyÒn h×nh mét v corona, chØ nh×n thÊy trong kú nhËt thùc c¸ch b×nh th êng. to n phÇn. Trong ¶nh n y MÆt Tr¨ng l m tèi quang quyÓn v cr«m quyÓn nªn corona ® îc nh×n thÊy http://www.ebook.edu.vn 67
H»ng sè MÆt Trêi TÊt c¶ chóng ta biÕt r»ng MÆt Trêi rÊt nãng v chóng ta ® îc b¶o vÖ khái nhiÖt l îng khæng lå cña nã v× ë c¸ch xa bÒ mÆt cña MÆt Trêi. Nh ng n¨ng l îng ®iÖn tõ di chuyÓn trong kh«ng gian kh«ng bÞ ph¸ hñy khi di chuyÓn vÒ phÝa Tr¸i §Êt. Bøc x¹ ®i qua kh«ng gian mang theo cïng mét l îng n¨ng l îng v cã cïng b íc sãng nh khi nã rêi khái bÒ mÆt MÆt Trêi. Tuy nhiªn, t¹i nh÷ng kho¶ng c¸ch lín h¬n kÓ tõ MÆt Trêi, nã ph©n bè trªn diÖn tÝch réng h¬n, ®iÒu ®ã l m gi¶m c êng ®é. H×nh 2.9. C êng ®é cña chïm tia bøc x¹ MÆt Trêi kh«ng yÕu ®i khi rêi khái MÆt Trêi. Tuy nhiªn, c êng ®é bÞ suy gi¶m khi nã ph©n bè cho mét diÖn tÝch réng h¬n. H·y t ëng t îng hai h×nh cÇu bao quanh MÆt Trêi (sao cho mét h×nh cã b¸n kÝnh b»ng kho¶ng c¸ch trung b×nh Tr¸i §Êt - MÆt Trêi ). TÊt c¶ bøc x¹ ph¸t ra tõ MÆt Trêi sÏ bÞ bÉy bëi h×nh cÇu n y. B©y giê h·y t ëng t îng r»ng h×nh cÇu bao quanh cã b¸n kÝnh b»ng kho¶ng c¸ch trung b×nh gi÷a MÆt Trêi v sao Háa. H×nh cÇu n y lín h¬n h×nh cÇu tr íc, nªn n¨ng l îng ph¶i ph©n bè cho mét diÖn tÝch lín h¬n XÐt mét h×nh cÇu bao phñ quanh MÆt Trêi víi b¸n kÝnh b»ng kho¶ng c¸ch trung b×nh gi÷a Tr¸i §Êt v MÆt Trêi, hay 1,5 ⋅ 1011 m (h×nh 2.9). V× kho¶ng c¸ch tõ http://www.ebook.edu.vn 68
MÆt Trêi t¨ng lªn, c êng ®é cña bøc x¹ gi¶m tØ lÖ víi b×nh ph ¬ng kho¶ng c¸ch. Quan hÖ n y gäi l ®Þnh luËt b×nh ph ¬ng nghÞch ®¶o. B»ng c¸ch chia tæng bøc x¹ MÆt Trêi (3,865 × 10 26 W ) cho diÖn tÝch cña h×nh cÇu t ëng t îng bao quanh MÆt Trêi (diÖn tÝch cña h×nh cÇu b»ng 4π r 2 ), chóng ta cã thÓ x¸c ®Þnh l îng n¨ng l îng MÆt Trêi nhËn ® îc bëi mét bÒ mÆt vu«ng gãc víi c¸c tia ®i tíi t¹i kho¶ng c¸ch Tr¸i §Êt - MÆt Trêi trung b×nh. L îng bøc x¹ ®Õn b»ng 3,685 × 10 26 W = 1367 W / m 2 . 11 2 4π (1,5 × 10 m ) Chóng ta coi gi¸ trÞ 1367 W/m2 l h»ng sè MÆt Trêi (mÆc dï cã mét biÕn thiªn nhá trong ®Çu ra cña MÆt Trêi v c¸c nh©n tè kh¸c cho phÐp “h»ng sè” n y cã biÕn ®æi chót Ýt). §Ó tiÖn so s¸nh, nÕu sö dông cïng quy tr×nh nh trªn, chóng ta cã thÓ x¸c ®Þnh r»ng h»ng sè MÆt Trêi ®èi víi sao Háa ( 2,5 × 1011 m c¸ch MÆt Trêi) l 445 W/m2. Nh÷ng nguyªn nh©n t¹o nªn c¸c mïa cña Tr¸i §Êt MÆc dï MÆt Trêi ph¸t ra mét l îng bøc x¹ gÇn nh kh«ng ®æi, trªn Tr¸i §Êt chóng ta tr¶i nghiÖm nh÷ng biÕn ®æi ®¸ng kÓ vÒ l îng bøc x¹ nhËn ® îc trong thêi gian mét n¨m. Nh÷ng biÕn ®æi vÒ n¨ng l îng thÓ hiÖn th nh c¸c mïa. Chóng ta cßn biÕt r»ng c¸c vÜ ®é thÊp (thÝ dô vïng nhiÖt ®íi v cËn nhiÖt ®íi) nhËn ® îc bøc x¹ MÆt Trêi mét n¨m t¹i ®Ønh cña khÝ quyÓn nhiÒu h¬n so víi c¸c vïng vÜ ®é cao (thÝ dô vïng Nam cùc v B¾c cùc). Trong môc n y, chóng ta sÏ xem xÐt quü ®¹o cña Tr¸i §Êt xung quanh MÆt Trêi v ®Þnh h íng cña nã so víi bøc x¹ tíi ¶nh h ëng nh thÕ n o tíi l îng bøc x¹ MÆt Trêi nhËn ® îc theo mïa v theo vÜ ®é (®Ó ng¾n gän, chóng ta gäi l bøc x¹ tíi). Sù quay v sù xoay cña Tr¸i §Êt Chóng ta ®· biÕt v nh h×nh 2.10 cho thÊy, Tr¸i §Êt quay quanh MÆt Trêi mét lÇn hÕt 365 1 4 ng y nÕu nh nã ®i däc theo mét mÆt ph¼ng. Chóng ta gäi bÒ mÆt t ëng t îng n y l mÆt ph¼ng ho ng ®¹o, cßn cuéc du ngo¹n mét n¨m cña Tr¸i §Êt trªn mÆt ph¼ng l sù quay cña Tr¸i §Êt. H×nh 2.10. Quü ®¹o Tr¸i §Êt quanh MÆt Trêi kh«ng l vßng trßn lý t ëng m l ellip. Tr¸i §Êt ë gÇn MÆt Trêi nhÊt (cËn ®iÓm) v o kho¶ng ng y 3 th¸ng 1 v xa nhÊt (viÔn ®iÓm) v o ng y 3 th¸ng 7 http://www.ebook.edu.vn 69
Quü ®¹o kh«ng ho n to n trßn m gi·n ra th nh mét ® êng ellip, th nh thö kho¶ng c¸ch gi÷a Tr¸i §Êt v MÆt Trêi thay ®æi theo thêi gian trong n¨m. Tr¸i §Êt ë gÇn MÆt Trêi nhÊt - t¹i mét ®iÓm gäi l cËn ®iÓm - v o ®óng hoÆc gÇn ng y 3 th¸ng 1, khi ®ã kho¶ng c¸ch Tr¸i §Êt - MÆt Trêi b»ng kho¶ng 147 triÖu km. Tr¸i §Êt ë xa MÆt Trêi nhÊt - t¹i mét ®iÓm gäi l viÔn ®iÓm - v o ®óng hoÆc gÇn ng y 3 th¸ng 7, khi ®ã kho¶ng c¸ch Tr¸i §Êt - MÆt Trêi b»ng kho¶ng 152 triÖu km. VËy t¹i cËn ®iÓm kho¶ng c¸ch 3 % nhá h¬n t¹i viÔn ®iÓm. Nh ng v× c êng ®é cña bøc x¹ tíi biÕn ®æi tØ lÖ nghÞch víi b×nh ph ¬ng kho¶ng c¸ch Tr¸i §Êt - MÆt Trêi (nhí l¹i ®Þnh luËt b×nh ph ¬ng nghÞch ®¶o), nªn bøc x¹ gÇn nh 7 % m¹nh h¬n. (Tuy nhiªn, nh ®· nh¾c tíi ë ®Çu ch ¬ng n y, sù biÕn thiªn ®ã vÒ c êng ®é kh«ng ph¶i l thø g©y nªn sù thay ®æi cña c¸c mïa.) Ngo i sù quay, Tr¸i §Êt cßn thùc hiÖn mét chuyÓn ®éng xoay gäi l sù xoay. Sù xoay diÔn ra 24 giê quanh mét ® êng th¼ng t ëng t îng gäi l trôc Tr¸i §Êt, nã nèi c¸c cùc B¾c v Nam. Trôc kh«ng vu«ng gãc víi mÆt ph¼ng quü ®¹o cña Tr¸i §Êt quanh MÆt Trêi, m nghiªng mét gãc 23,5o. H¬n n÷a, bÊt chÊp thêi gian trong n¨m, trôc lu«n nghiªng vÒ cïng mét h íng v lu«n h íng tíi mét v× sao xa gäi l sao B¾c §Èu. H íng nghiªng kh«ng ®æi cã nghÜa l mét nöa n¨m B¾c b¸n cÇu ®Þnh h íng vÒ phÝa MÆt Trêi v nöa n¨m kh¸c B¾c b¸n cÇu ®Þnh h íng quay ®i khái MÆt Trêi. Sù ®Þnh h íng thay ®æi cña c¸c b¸n cÇu so víi MÆt Trêi l nguyªn nh©n thùc cña c¸c mïa - kh«ng ph¶i l kho¶ng c¸ch thay ®æi gi÷a Tr¸i §Êt v MÆt Trêi. DÔ d ng nhËn thÊy ®é nghiªng cña trôc ¶nh h ëng nh thÕ n o tíi c¸c mïa nÕu chóng ta xem xÐt mét t×nh huèng gi¶ t ëng trong ®ã trôc nghiªng kh«ng ph¶i 23,5o m ®óng 90o, nh ®· vÏ trªn h×nh 2.11. Thùc ra, ®©y l tr êng hîp ®èi víi sao Thiªn V ¬ng, nªn c¸i m chóng ta m« t¶ kh«ng ho n to n l gi¶ t ëng. H·y xÐt t×nh huèng khi Tr¸i §Êt ë vÞ trÝ #1. B¾c b¸n cÇu ®Þnh h íng th¼ng vÒ phÝa MÆt Trêi nªn nã ® îc chiÕu s¸ng ®Çy ®ñ trong suèt chu kú xoay 24 giê. Trong khi ®ã Nam b¸n cÇu chÞu ®ùng 24 giê tèi liªn tôc. T×nh huèng n y l m cho B¾c b¸n cÇu nãng h¬n Nam b¸n cÇu. Ngo i ra, mét ng êi ®øng t¹i cùc B¾c sÏ nh×n thÊy MÆt Trêi ë ngay trªn ®Ønh ®Çu trong suèt c¶ ng y. NÕu di chuyÓn tõ cùc B¾c vÒ phÝa xÝch ®¹o, anh ta thÊy ®é cao cña MÆt Trêi trªn ® êng ch©n trêi dÇn dÇn gi¶m, ®Õn tíi xÝch ®¹o th× MÆt Trêi trë th nh ë ®óng ® êng ch©n trêi. VÒ phÝa nam cña ® êng n y, MÆt Trêi n»m ë d íi ® êng ch©n trêi v thêi gian ban ®ªm bao phñ Nam b¸n cÇu. B©y giê xÐt vÞ trÝ #3, nã xuÊt hiÖn 6 th¸ng sau vÞ trÝ #1. ë t×nh huèng n y, Nam b¸n cÇu ë trong ¸nh s¸ng MÆt Trêi liªn tôc trong khi B¾c b¸n cÇu chÞu 24 giê ®ªm tèi. H¬n n÷a, ai ®ã ®øng t¹i cùc Nam sÏ thÊy MÆt Trêi ngay trªn ®Ønh ®Çu v vÞ trÝ biÓu kiÕn cña MÆt Trêi sÏ dÞch vÒ phÝa ® êng ch©n trêi ®èi víi nh÷ng ng êi quan s¸t ë gÇn xÝch ®¹o. Cuèi cïng, h·y quan s¸t nh÷ng vÞ trÝ trung gian #2 v #4. Trong hai t×nh huèng n y, trôc nghiªng 90o kh«ng vÒ phÝa m còng kh«ng xa khái MÆt Trêi v sù nghiªng trë nªn kh«ng liªn quan g× tíi sù thu nhËn bøc x¹. Ngo i ra, ë c¸c vÞ trÝ #2 v #4, tõng n¬i trªn Tr¸i §Êt cã ® îc 12 giê ¸nh s¸ng ban ng y v 12 giê ®ªm tèi v× mçi vÜ ®é chÞu mét nöa s¸ng v mét nöa tèi. Cuèi cïng, h·y l u ý lóc gi÷a tr a (khi http://www.ebook.edu.vn 70