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

Chia sẻ: Nguyễn Nhi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:42

Thêm vào BST

Báo xấu

97
lượt xem 24
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 3 Cân bằng năng lượng và nhiệt độ

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 3

Ch ¬ng 3 C©n b»ng n¨ng l îng v nhiÖt ®é S¸ng sím ng y 24/10/1998, xo¸y thuËn nhiÖt ®íi Mitch võa m¹nh lªn th nh mét trËn b·o thùc sù ë phÝa t©y §¹i T©y D ¬ng. MÆc dï c¸c nh dù b¸o tin ch¾c xo¸y thuËn sÏ m¹nh lªn tiÕp v di chuyÓn vÒ phÝa t©y, song kh«ng ai biÕt r»ng trong Ýt ng y Mitch cã thÓ trë th nh mét trËn b·o tåi tÖ nhÊt tÊn c«ng vïng Trung Mü kÓ tõ n¨m 1780. Møc ®é ph¸ hñy tæng céng cña nã khã m ®¸nh gi¸. Con sè tæn thÊt sinh m¹ng chÝnh x¸c tõ b·o Mitch sÏ kh«ng bao giê ® îc biÕt, song cã lÏ ®©u ®ã kho¶ng 9 000 v 18 000 ng êi. Giã giËt cì h¬n 320 km/h v l îng m a h¬n 50 cm ®· l m tr¬ trôi nhiÒu l ng m¹c. N¬i chÞu ®ùng tåi tÖ nhÊt l Honduras, h¬n 20 % d©n c ®Êt n íc n y bçng d ng trë th nh v« gia c . Vïng nói cña Nicaragoa bÞ thiÖt h¹i ®Æc biÖt nÆng nÒ bëi nh÷ng trËn tr ît ®Êt ph¸ ho¹i t n b¹o. Mét n«ng d©n, tªn l JosÐ Morales, kÓ l¹i tr¶i nghiÖm cña m×nh víi mét trong nh÷ng vô tåi tÖ nhÊt, vô tr ît ®Êt Casitas ë t©y b¾c Nicaragoa: “§ã l mét khèi cÇu ®Êt v c©y cèi v lËp tøc t«i kh«ng cßn cã thÓ nh×n thÊy nh cöa n÷a” (xem h×nh 3.1). H×nh 3.1. ¶nh vÖ tinh b·o Mitch, trËn b·o t n khèc nhÊt tr n tíi Trung Mü cuèi thÕ kû 20 http://www.ebook.edu.vn 85
Nçi thèng khæ do b·o Mitch vÉn tiÕp tôc. C¸c quèc gia bÞ h¹i cña khu vùc ®· ph¶i chèng chäi víi nguy c¬ bÖnh t¶, sèt rÐt v bÖnh sèt nhiÖt ®íi - kh«ng kÓ n¹n ®ãi ho nh h nh do mïa m ng bÞ ph¸ ho¹i. ë Hoduras kho¶ng 70 % mïa m ng bÞ ph¸ ho¹i v mét tØ lÖ t ¬ng tù c¬ së h¹ tÇng giao th«ng bÞ triÖt ph¸. Mét sè chuyªn gia cøu n¹n ®· íc tÝnh r»ng sÏ cÇn 15 ®Õn 20 n¨m tr íc khi nh÷ng hËu qu¶ cña trËn b·o ® îc kh¾c phôc ho n to n. Gièng nh nh÷ng trËn b·o m¹nh kh¸c, Mitch tr n tíi mét diÖn tÝch lín h¬n mét phÇn t triÖu km2, kÐo d i gÇn mét tuÇn, x¶ xuèng h ng triÖu tÊn n íc m a v giã hung d÷ cuèn ph¨ng c¶ nh÷ng l ng m¹c. Mét ho¹t ®éng nh thÕ ®ßi hái l îng n¨ng l îng khæng lå, v nh chóng ta ®· thÊy ë ch ¬ng 2, bøc x¹ MÆt Trêi cung cÊp tÊt c¶ nh÷ng n¨ng l îng ®ã. Nh ng c©u chuyÖn ch a ph¶i ®· hÕt, bëi v× phÇn lín n¨ng l îng chøa trong khÝ quyÓn kh«ng tÝch lòy b»ng c¸ch hÊp thô trùc tiÕp bøc x¹ MÆt Trêi. Ng îc l¹i, phÇn lín n¨ng l îng cã ® îc mét c¸ch gi¸n tiÕp tõ MÆt Trêi sau khi ®· bÞ hÊp thô tr íc nhÊt bëi bÒ mÆt Tr¸i §Êt. Tõ ®©y, mét sè qu¸ tr×nh kÕt hîp víi nhau ®Ó vËn chuyÓn n¨ng l îng hÊp thô n y v o khÝ quyÓn. Trong ch ¬ng n y chóng ta xem xÐt sù vËn chuyÓn n¨ng l îng ®ã, nã cung cÊp nhiªn liÖu cho nh÷ng hiÖn t îng thêi tiÕt h ng ng y v nh÷ng sù kiÖn tai häa nh b·o Mitch. ¶nh h ëng cña khÝ quyÓn ®èi víi bøc x¹ tíi Bøc x¹ MÆt Trêi ®¹t tíi ®Ønh cña khÝ quyÓn kh«ng ®i qua khÝ quyÓn mét c¸ch kh«ng bÞ c¶n trë, m ng îc l¹i, bÞ suy yÕu bëi rÊt nhiÒu qu¸ tr×nh. KhÝ quyÓn hÊp thô mét phÇn bøc x¹ mét c¸ch trùc tiÕp v do ®ã thu ® îc nhiÖt. Mét phÇn kh¸c tiªu t¸n mÊt nh nh÷ng tia yÕu h¬n ®i ra theo nhiÒu h íng kh¸c nhau th«ng qua mét qu¸ tr×nh gäi l t¸n x¹. Mét sè bøc x¹ t¸n x¹ h íng trë l¹i kh«ng gian; phÇn cßn l¹i bÞ t¸n x¹ h íng tíi nh l ¸nh s¸ng m chóng ta nh×n thÊy tõ phÇn bÇu trêi ë xa ®Üa MÆt Trêi. Trong mäi tr êng hîp, phÇn n¨ng l îng t¸n x¹ kh«ng bÞ hÊp thô bëi khÝ quyÓn v do ®ã kh«ng gãp phÇn l m nãng nã. Bøc x¹ tíi cßn l¹i kh«ng bÞ hÊp thô v t¸n x¹ v ®i qua khÝ quyÓn kh«ng bÞ biÕn ®æi, ®¹t tíi bÒ mÆt víi t c¸ch l bøc x¹ trùc tiÕp. Nh ng kh«ng ph¶i tÊt c¶ n¨ng l îng ®¹t tíi bÒ mÆt ® îc hÊp thô. Ng îc l¹i, mét bé phËn bÞ t¸n x¹ trë l¹i v o kh«ng gian v gièng nh bøc x¹ bÞ t¸n x¹ bëi khÝ quyÓn, nã kh«ng gãp phÇn l m nãng h nh tinh. C¸c qu¸ tr×nh n y - hÊp thô, t¸n x¹ v vËn chuyÓn bøc x¹ MÆt Trêi - trùc tiÕp ¶nh h ëng tíi ph©n bè nhiÖt ®é trong to n khÝ quyÓn. Chóng còng gi¶i thÝch mét sè hiÖn t îng khÝ quyÓn ®¸ng quan t©m th êng ng y nh bÇu trêi xanh lam trong mét ng y quang m©y hay s¾c ®á cña mét buæi ho ng h«n. Trong môc n y, chóng ta kh¸m ph¸ nh÷ng qu¸ tr×nh t¸c ®éng tíi bøc x¹ tíi. HÊp thô C¸c chÊt khÝ khÝ quyÓn, c¸c h¹t li ti v nh÷ng giät m a ®Òu l m suy gi¶m c êng ®é cña bøc x¹ tíi b»ng hÊp thô. §iÒu quan träng ph¶i l u ý l hÊp thô thÓ hiÖn sù truyÒn n¨ng l îng cho vËt hÊp thô. Sù truyÒn n y cã hai hÖ qu¶: vËt hÊp http://www.ebook.edu.vn 86
thô nhËn ® îc n¨ng l îng v nãng lªn, trong khi l îng n¨ng l îng cung cÊp cho bÒ mÆt bÞ gi¶m. C¸c chÊt khÝ cña khÝ quyÓn kh«ng ph¶i ®Òu hiÖu qu¶ nh nhau trong hÊp thô ¸nh s¸ng MÆt Trêi, v c¸c b íc sãng bøc x¹ kh¸c nhau kh«ng bÞ hÊp thô nh nhau. ThÝ dô, bøc x¹ cùc tÝm gÇn nh bÞ hÊp thô ho n to n bëi «z«n trong b×nh l u quyÓn. Ng îc l¹i, bøc x¹ nh×n thÊy ®i qua khÝ quyÓn chØ víi mét l îng hÊp thô cùc tiÓu. §iÒu n y cã mét hÖ qu¶ kh«ng ph¶i nhá, bëi v× nÕu nh khÝ quyÓn cã kh¶ n¨ng hÊp thô tÊt c¶ n¨ng l îng MÆt Trêi ®i ®Õn, th× bÇu trêi sÏ tèi ho n to n. C¸c lo¹i ¸nh s¸ng nh©n t¹o sÏ l v« Ých, bëi v× bøc x¹ cña chóng ch¾c ch¾n sÏ bÞ hÊp thô. ChÝnh thùc tÕ chóng ta cã thÓ nh×n thÊy nh÷ng kho¶ng c¸ch lín m¸ch b¶o r»ng khÝ quyÓn kh«ng ph¶i l vËt ®Æc biÖt giái hÊp thô bøc x¹ nh×n thÊy, mét Ên t îng rÊt ®óng. Bøc x¹ cËn hång ngo¹i, nã thÓ hiÖn gÇn mét nöa bøc x¹ do MÆt Trêi ph¸t ra, bÞ hÊp thô chñ yÕu bëi hai chÊt khÝ trong khÝ quyÓn - h¬i n íc v (ë møc ®é kÐm h¬n) cacbon ®i«xit. §ã l lý do v× sao ¸nh s¸ng MÆt Trêi trùc tiÕp ë vïng hoang m¹c cã c¶m gi¸c nãng nh vËy, cßn bãng r©m th× rÊt dÔ chÞu, trong khi sù kh¸c biÖt nhiÖt ®é biÓu kiÕn d íi ¸nh s¸ng trùc tiÕp v d íi bãng r©m l t ¬ng ®èi nhá ë c¸c vïng Èm. Khi ®é Èm cao, h¬i n íc hÊp thô mét phÇn lín bøc x¹ cËn hång ngo¹i, do ®ã l m gi¶m l îng n¨ng l îng kh¶ n¨ng l m nãng da chóng ta. Trong nh÷ng ng y kh«, sô thiÕu hôt h¬i n íc cho phÐp mét l îng lín h¬n bøc x¹ cËn hång ngo¹i xuyªn qua khÝ quyÓn v l m t¨ng nhiÖt ®é da b¹n. Ph¶n x¹ v t¸n x¹ Ph¶n x¹ n¨ng l îng l mét qu¸ tr×nh trong ®ã bøc x¹ tiÕp xóc víi vËt n o ®ã chØ bÞ ®æi h íng khái bÒ mÆt m kh«ng bÞ hÊp thô. Lý do chóng ta cã thÓ nh×n ® îc l m¾t ng êi cã kh¶ n¨ng ph¸t hiÖn sù tiÕp nhËn bøc x¹ nh×n thÊy. N¨ng l îng nh×n thÊy truyÒn trong tÊt c¶ c¸c h íng v× nã bÞ ph¶n x¹ khái c¸c ®èi t îng trong tÇm nh×n cña chóng ta. Mét sè ¸nh s¸ng ph¶n x¹ ®i tíi tiÕp xóc víi m¾t chóng ta, m¾t göi c¸c tÝn hiÖu ®Ó cho c¸c trung t©m quang häc trong n·o bé chóng ta xö lý. TÊt c¶ c¸c chÊt ph¶n x¹ ¸nh s¸ng nh×n thÊy, nh ng víi hiÖu qu¶ rÊt kh¸c nhau. Ch¼ng h¹n, mét ®¸m tuyÕt t ¬i ph¶n x¹ ¸nh s¸ng nh×n thÊy rÊt hiÖu qu¶, trong khi mét côc than chØ ph¶n x¹ mét phÇn nhá bøc x¹ nh×n thÊy ®i tíi bÒ mÆt cña nã. TØ phÇn phÇn tr¨m cña ¸nh s¸ng nh×n thÊy bÞ ph¶n x¹ bëi mét vËt hoÆc mét chÊt ® îc gäi l albe®«. Ngo i ra, c¸c vËt kh«ng ph¶n x¹ tÊt c¶ c¸c b íc sãng nh nhau. ThÝ dô, mét chiÕc ¸o s¬ mi sÏ cã m u xanh lam nÕu nã ph¶n x¹ hiÖu qu¶ nhÊt c¸c b íc sãng ë vïng xanh lam cña phæ. ¸nh s¸ng cã thÓ bÞ ph¶n x¹ tõ mét bÒ mÆt theo hai c¸ch kh¸c nhau. Khi ¸nh s¸ng ch¹m v o mét c¸i g ¬ng, nã bÞ ph¶n x¹ l¹i nh mét chïm cïng c êng ®é, ng êi ta gäi l ph¶n x¹ g ¬ng. Ng îc l¹i, khi mét chïm bÞ ph¶n x¹ tõ mét vËt nh mét sè lín c¸c tia yÕu h¬n truyÒn trong nhiÒu h íng kh¸c nhau, ng êi ta gäi l ph¶n x¹ t¶n m¹n hay t¸n x¹. Khi t¸n x¹ x¶y ra, b¹n kh«ng thÓ nh×n thÊy ¶nh cña chÝnh m×nh trªn bÒ mÆt ph¶n x¹ nh b¹n cã thÓ nh×n thÊy trong mét chiÕc g ¬ng. Do ®ã, mÆc dï mét bÒ mÆt tuyÕt t ¬i cã thÓ ph¶n x¹ trë l¹i phÇn lín ¸nh http://www.ebook.edu.vn 87
s¸ng nh×n thÊy ®i tíi nã, b¹n kh«ng thÓ nh×n ng¾m m×nh b»ng c¸ch nh×n v o tuyÕt. §¹i ®a sè c¸c bÒ mÆt tù nhiªn l bÒ mÆt ph¶n x¹ t¶n m¹n chø kh«ng ph¶i l bÒ mÆt ph¶n x¹ g ¬ng. Ngo i rÊt nhiÒu bÒ mÆt chÊt r¾n, c¸c ph©n tö khÝ, c¸c h¹t li ti v nh÷ng giät n íc nhá t¸n x¹ bøc x¹. H¬n n÷a, mÆc dï nhiÒu bøc x¹ bÞ t¸n x¹ trë l¹i kh«ng gian, th× còng nhiÒu bøc x¹ bÞ ®æi h íng vÒ phÝa bÒ mÆt. N¨ng l îng t¸n x¹ ®¹t tíi bÒ mÆt Tr¸i §Êt do ®ã l bøc x¹ t¶n m¹n, nã kh¸c víi bøc x¹ trùc tiÕp kh«ng t¶n m¹n. H×nh 3.2 minh häa qu¸ tr×nh t¸n x¹ v biÕn ®æi bøc x¹ trùc tiÕp th nh bøc x¹ t¸n x¹. B¹n cã thÓ xÐt qu¸ tr×nh n y theo c¸ch nh sau: tËp hîp bøc x¹ trùc tiÕp l c¸i t¹o nªn c¸c bãng r©m, cßn mét bÒ mÆt trong bãng r©m cña bøc x¹ trùc tiÕp kh«ng tèi ho n to n, bëi v× nã ® îc chiÕu s¸ng bëi bøc x¹ t¸n x¹. H·y l u ý r»ng dï ® îc thùc hiÖn bëi mét ph©n tö khÝ, h¹t li ti hay giät n íc, song kÕt qu¶ vÉn l mét qu¸ tr×nh t¸n x¹, trong ®ã bøc x¹ bÞ ®æi h íng chø kh«ng bÞ hÊp thô. C¸c ®Æc tr ng cña bøc x¹ bÞ t¸n x¹ bëi khÝ quyÓn phô thuéc v o kÝch th íc cña nh÷ng t¸c nh©n t¸n x¹ (c¸c ph©n tö kh«ng khÝ hoÆc c¸c h¹t l¬ löng) so víi b íc sãng cña n¨ng l îng ®iÖn tõ ®i tíi. Tån t¹i ba lo¹i t¸n x¹ rÊt phæ biÕn: t¸n x¹ Rayleigh, t¸n x¹ Mie v t¸n x¹ kh«ng chän läc. T¸n x¹ Rayleigh. C¸c t¸c nh©n t¸n x¹ bÐ h¬n kho¶ng mét phÇn m êi b íc sãng cña bøc x¹ tíi l m t¶n m¸t bøc x¹ theo mét kiÓu gäi l t¸n x¹ Rayleigh. T¸n x¹ Rayleigh ® îc thùc hiÖn bëi nh÷ng ph©n tö khÝ riªng lÎ trong khÝ quyÓn. Nã kh«ng t¸c ®éng nh nhau tíi tÊt c¶ c¸c b íc sãng cña bøc x¹ MÆt Trêi; ng îc l¹i, nã thiªn vÒ phÝa c¸c H×nh 3.2. T¸n x¹ l qu¸ tr×nh trong ®ã mét b íc sãng ng¾n h¬n. T¸n x¹ Rayleigh chïm tia bøc x¹ bÞ chia th nh nhiÒu tia yÕu ®Æc biÖt hiÖu qu¶ ®èi víi ¸nh s¸ng nh×n h¬n ®Þnh h íng l¹i trong nhiÒu h íng kh¸c nh×n thÊy, ®Æc biÖt víi nh÷ng ¸nh s¸ng cã m u nh c¸c b íc sãng ng¾n nhÊt, cho nªn ¸nh s¸ng xanh lam bÞ t¸n x¹ bëi c¸c ph©n tö kh«ng khÝ hiÖu qu¶ h¬n ¸nh s¸ng ®á víi b íc sãng d i h¬n. Ngo i ra, t¸n x¹ Rayleigh l m t¶n m¸t bøc x¹ theo c¶ hai h íng tiÕn lªn tiÕp v quay trë l¹i. KÕt hîp víi ®é hiÖu qu¶ lín cña nã khi t¸n x¹ c¸c b íc sãng ng¾n, ®Æc ®iÓm n y dÉn ®Õn ba hiÖn t îng lý thó: bÇu trêi xanh lam trong ng y quang m©y, s¾c xanh lam cña khÝ quyÓn khi nh×n tõ kho¶ng kh«ng bªn ngo i v s¾c ®á cña nh÷ng kho¶nh kh¾c ho ng h«n v b×nh minh. H×nh 3.3 minh häa t¸n x¹ Rayleigh t¹o ra mét bÇu trêi xanh lam nh thÕ n o. Khi nh÷ng chïm tia bøc x¹ song song ®i v o khÝ quyÓn, mét phÇn ¸nh s¸ng bÞ ®æi http://www.ebook.edu.vn 88
h íng so víi h íng ban ®Çu cña nã. Mét ng êi nh×n lªn phÝa trªn, kh«ng theo h íng cña MÆt Trêi, cã thÓ nh×n thÊy mét sè ¸nh s¸ng t¸n x¹ ®· bÞ ®æi h íng vÒ phÝa ng êi quan s¸t. V× ¸nh s¸ng xanh lam thuéc lo¹i ng¾n nhÊt trong c¸c b íc sãng nh×n thÊy (v do ®ã dÔ bÞ t¸n x¹ nhÊt), bøc x¹ t¸n x¹ chøa mét tØ phÇn ¸nh s¸ng xanh cao h¬n so víi c¸c ¸nh s¸ng v ng, lôc hay c¸c b íc sãng d i h¬n kh¸c. T¸n x¹ Rayleigh diÔn ra t¹i mäi ®iÓm trong khÝ quyÓn trong suèt v h íng n¨ng l îng tíi mét ng êi quan s¸t tõ tÊt c¶ c¸c h íng, cho nªn bÊt kÓ b¹n nh×n lªn tõ ®©u trong mét ng y quang m©y th× bÇu trêi vÉn l m u lam. DÜ nhiªn, kh«ng ph¶i tÊt c¶ bøc x¹ tíi bÞ t¸n x¹ trong mét ng y trêi quang. ThËt vËy, l îng bøc x¹ t¸n x¹ nhËn ® îc t¹i bÒ mÆt trong ®iÒu kiÖn trêi kh«ng m©y th êng b»ng kho¶ng mét phÇn m êi l îng bøc x¹ trùc tiÕp. H×nh 3.3. BÇu trêi cã m u lam v× c¸c khÝ v h¹t li ti trong khÝ quyÓn t¸n x¹ mét phÇn bøc x¹ MÆt Trêi tíi theo tÊt c¶ c¸c h íng. C¸c ph©n tö kh«ng khÝ t¸n x¹ nh÷ng b íc sãng ng¾n h¬n hiÖu qu¶ h¬n. Ai ®ã trªn mÆt ®Êt nh×n lªn trêi tiÕp nhËn ¸nh s¸ng lam, b íc sãng ng¾n nhÊt cña phÇn phæ nh×n thÊy Trªn MÆt Tr¨ng, kh«ng cã khÝ quyÓn, “bÇu trêi” th nh ra m u ®en (h×nh 3.4). Khi mét ng êi quan s¸t nh×n vÒ phÝa ch©n trêi lªn phÝa MÆt Tr¨ng, kh«ng cã ¸nh s¸ng t¸n x¹ xuèng phÝa d íi, bëi v× kh«ng cã khÝ quyÓn v bÇu trêi hiÖn ra kh«ng kh¸c mÊy víi bÇu trêi ®ªm. TÊt c¶ nh÷ng g× cã thÓ nh×n thÊy ® îc chØ l n¨ng l îng ph¶n x¹ tõ bÒ mÆt MÆt Tr¨ng v Tr¸i §Êt. Cïng mét qu¸ tr×nh dÉn tíi bÇu trêi lam khi nh×n tõ mÆt ®Êt còng t¹o nªn s¾c lam cña khÝ quyÓn khi nh×n tõ kho¶ng kh«ng vò trô. Gièng nh t¸n x¹ h íng tíi, t¸n x¹ ng îc trë l¹i thiªn vÒ phÝa c¸c b íc sãng xanh lam, nªn bøc x¹ t¶n m¸t h íng ng îc trë l¹i kho¶ng kh«ng còng cã m u lam. http://www.ebook.edu.vn 89
T¸n x¹ Rayleigh cßn l nguyªn nh©n cña m u ®á cña b×nh minh v ho ng h«n nh cã thÓ thÊy trªn h×nh 3.5. H×nh 3.5 cho thÊy ®iÒu n y ®· diÔn ra nh thÕ n o. Khi MÆt Trêi ®ang ë gÇn ch©n trêi, ¸nh s¸ng MÆt Trêi ph¶i ®i mét kho¶ng c¸ch lín h¬n qua khÝ quyÓn so víi lóc gi÷a tr a v qu·ng ® êng xa h¬n l m t¨ng l îng t¸n x¹ Rayleigh. V× chïm tia trùc x¹ ph¶i ®i qu·ng ® êng d i cña nã, nh÷ng b íc sãng ng¾n nhÊt cña bøc x¹ bÞ suy kiÖt, cßn c¸c b íc sãng d i h¬n chiÕm tØ phÇn t¨ng lªn trong ¸nh s¸ng trùc x¹. BÇu trêi ë l©n cËn MÆt Trêi v× thÕ m cã s¾c ®á do c¸c ¸nh s¸ng lôc v lam (b íc sãng ng¾n h¬n) bÞ suy kiÖt. H×nh 3.4. C¶nh Tr¸i §Êt ®ang lªn do c¸c du h nh gia cña Apollo 11 nh×n thÊy. MÆc dï ¶nh n y chôp ban ng y, MÆt Tr¨ng kh«ng cã bÇu trêi xanh. §ã l do ë ®ã kh«ng cã khÝ quyÓn ®Ó t¸n x¹ bøc x¹ tíi tõ MÆt Trêi. H·y ®Ó ý s¾c lam cña Tr¸i §Êt, hÖ qu¶ cña sù t¸n x¹ Rayleigh T¸n x¹ Mie. C¸c chuyÓn ®éng th¼ng ®øng trong khÝ quyÓn t ¬ng ®èi m¹nh nªn khÝ quyÓn lu«n chøa nh÷ng h¹t son khÝ l¬ löng. §iÒu n y ®óng kh«ng chØ ë c¸c th nh phè, n¬i cã xu thÕ nång ®é « nhiÔm kh«ng khÝ cao h¬n, m cßn ë nh÷ng vïng n«ng th«n c¸ch xa víi c¸c ho¹t ®éng ®« thÞ. C¸c h¹t son khÝ vi m« lín h¬n nhiÒu so víi c¸c ph©n tö kh«ng khÝ v chóng t¸n x¹ ¸nh s¸ng b»ng mét qu¸ tr×nh gäi l t¸n x¹ Mie. Kh¸c víi t¸n x¹ Rayleigh, t¸n x¹ Mie chñ yÕu vÒ phÝa tr íc, chØ l m cho mét l îng n¨ng l îng t ¬ng ®èi nhá quay ng îc l¹i kho¶ng kh«ng. Ngo i ra, t¸n x¹ Mie gÇn nh kh«ng cã xu h íng t¸n x¹ bøc x¹ b íc sãng ng¾n nh t¸n x¹ Rayleigh. Do ®ã, v o nh÷ng ng y cã s ¬ng hay « nhiÔm cao (khi nång ®é son khÝ cao) bÇu trêi trë nªn x¸m, v× to n bé phÇn nh×n thÊy cña phæ bÞ t¸n x¹ mét c¸ch hiÖu qu¶ vÒ phÝa mÆt ®Êt. T¸n x¹ Mie c ng l m cho b×nh minh v ho ng h«n trë nªn ®á h¬n so víi khi chØ do t¸n x¹ Rayleigh, cho nªn c¸c ®ît « nhiÔm kh«ng khÝ nÆng dÉn tíi nh÷ng buæi ho ng h«n rÊt ngo¹n môc (h×nh 3.6). C¸c vô ch¸y cã thÓ c ng l m cho t¸n x¹ Mie t¨ng c êng h¬n n÷a. C d©n miÒn t©y n íc Mü tËn m¾t thÊy ® îc hiÖn t îng n y http://www.ebook.edu.vn 90
khi nhiÒu vô ch¸y lín thiªu trôi kh¾p khu vùc v o mïa hÌ n¨m 2002. NÕu mét vô ch¸y ®ñ lín, t¸n x¹ Mie cã thÓ t¨ng lªn ë nh÷ng kho¶ng c¸ch réng theo chiÒu giã. ThÝ dô n¨m 1998, háa ho¹n ë C«ng viªn Quèc gia Yosemite l m rùc ®á bÇu trêi tíi tËn Minneapolis, Minnesota. C¸c vô phun tr o nói löa, nh vô lín ë Pinatubo n¨m 1991, thËm chÝ cã thÓ l m thÉm m u ®á cña b×nh minh v ho ng h«n trªn kh¾p b¸n cÇu, v× giã trªn b×nh l u quyÓn mang c¸c son khÝ ®i rÊt xa nguån cña chóng. H×nh 3.5. B×nh minh v ho ng h«n cã m u ®á v× ¸nh s¸ng MÆt Trêi ®i qua qu·ng ® êng d i h¬n trong khÝ quyÓn, g©y nªn t¸n x¹ m¹nh, lo¹i bá c¸c b íc sãng ng¾n khái chïm tia bøc x¹ tíi. KÕt qu¶ l ¸nh s¸ng MÆt Trêi chøa gÇn nh to n l c¸c b íc sãng d i (®á) H×nh 3.6. T¸n x¹ c¸c b íc sãng ng¾n l m t¨ng m u ®á cña b×nh minh v ho ng h«n trong nh÷ng thêi kú nång ®é h¹t li ti cao trong khÝ quyÓn http://www.ebook.edu.vn 91
T¸n x¹ kh«ng chän läc. C¸c giät n íc trong m©y lín h¬n nhiÒu so víi nh÷ng h¹t li ti l¬ löng; do ®ã chóng t¸n x¹ ¸nh s¸ng theo mét c¸ch kh¸c n÷a, Ýt hoÆc nhiÒu gièng nh c¸c l¨ng kÝnh. Mét giät n íc biÖt lËp t¸c ®éng tíi c¸c b íc sãng kh¸c nhau cña bøc x¹ MÆt Trêi mét c¸ch kh¸c nhau. B¹n nh×n thÊy ®iÒu n y khi n o b¹n ® îc chøng kiÕn mét cÇu vång, nã l m cho tõng b íc sãng bÞ khóc x¹ (®æi h íng) mét l îng kh¸c nhau, tõ ®ã cã nh÷ng b¨ng m u riªng. Tuy nhiªn, vÒ tæng thÓ m©y ph¶n x¹ tÊt c¶ c¸c b íc sãng cña bøc x¹ tíi gÇn nh nhau, ®ã l nguyªn nh©n m©y th nh ra cã m u tr¾ng hoÆc x¸m. Bëi v× kh«ng u tiªn cho mét b íc sãng cô thÓ n o, sù t¸n x¹ cña m©y ®«i khi ® îc gäi l t¸n x¹ kh«ng chän läc. M©y cßn l t¸c nh©n quan träng nhÊt t¸n x¹ kh«ng chän läc v cã mét ¶nh h ëng to lín tíi qu¸ tr×nh nhËn bøc x¹ MÆt Trêi trªn to n cÇu, v× nã ph¶n x¹ mét l îng n¨ng l îng rÊt lín trë l¹i kho¶ng kh«ng vò trô. VËn chuyÓn Khi bøc x¹ MÆt Trêi ®i qua kho¶ng ch©n kh«ng cña kh«ng gian vò trô th× kh«ng cã mét biÕn ®æi n o vÒ c êng ®é, h íng hay b íc sãng cña nã. Tuy nhiªn, khi nã ®i v o khÝ quyÓn, chØ cã mét phÇn bøc x¹ cã thÓ ®i qua kh«ng bÞ c¶n trë tíi bÒ mÆt. Tæng l îng biÕn ®æi rÊt m¹nh tïy thuéc v o nh÷ng ®iÒu kiÖn khÝ quyÓn. Mét bÇu khÝ quyÓn trong v kh« cã thÓ truyÒn qua tíi 80 % bøc x¹ MÆt Trêi tíi nh l chïm bøc x¹ trùc tiÕp kh«ng bÞ t¸n x¹ v hÊp thô. §ã l nh÷ng g× b¹n ® îc tr¶i nghiÖm v o mét ng y trêi quang, kh«ng nhiÔm bÈn víi nh÷ng bãng r©m s¾c râ nÐt. Ng îc l¹i, khi trêi nhiÒu m©y hay s ¬ng mï, chØ mét phÇn nhá bøc x¹ MÆt Trêi ®¹t tíi mÆt ®Êt nh l trùc x¹. Trong nh÷ng ®iÒu kiÖn ®ã, tæng l îng bøc x¹ ®¹t tíi mÆt ®Êt th× bÞ suy gi¶m, ®ång thêi trùc x¹ chuyÓn th nh bøc x¹ t¶n m¸t hay t¸n x¹. Sè phËn cña bøc x¹ MÆt Trêi V× quü ®¹o Tr¸i §Êt quanh MÆt Trêi kh«ng ph¶i ho n to n trßn nªn cã chót Ýt biÕn thiªn mïa vÒ l îng bøc x¹ tíi kh¶ n¨ng, n¨ng l îng MÆt Trêi kh¶ n¨ng v o kú cËn ®iÓm nhiÒu h¬n kho¶ng 7 % so víi kú viÔn ®iÓm. BÊt chÊp sù biÕn thiªn ®ã, sÏ l tiÖn lîi nÕu chóng ta coi bøc x¹ tíi ®Ønh khÝ quyÓn l kh«ng ®æi v xem ®iÒu g× sÏ x¶y ra, vÒ trung b×nh, víi kho¶n n¨ng l îng ®ã. Nãi c¸ch kh¸c, chóng ta ph¶i tÝnh to¸n l îng bøc x¹ t ¬ng ®èi truyÒn qua khÝ quyÓn, bÞ hÊp thô bëi khÝ quyÓn v mÆt ®Êt v bÞ t¸n x¹ trë l¹i kho¶ng kh«ng. Mét c«ng viÖc nh thÕ quan träng h¬n mét ho¹t ®éng kÕ to¸n ®¬n thuÇn, bëi v× l îng bøc x¹ bÞ hÊp thô bëi khÝ quyÓn v mÆt ®Êt sÏ ¶nh h ëng lín tíi nhiÖt ®é cña khÝ quyÓn v mÆt ®Êt. §Ó ®¬n gi¶n, chóng ta chÊp nhËn 100 ®¬n vÞ bøc x¹ tíi cã mÆt t¹i ®Ønh khÝ quyÓn v sau ®ã so s¸nh l îng n¨ng l îng t¸n x¹ ng îc trë l¹i kho¶ng kh«ng v bÞ hÊp thô bëi khÝ quyÓn v mÆt ®Êt víi 100 ®¬n vÞ ®ã. Lu«n nhí r»ng, nh÷ng gi¸ trÞ ® îc biÓu diÔn trong lËp luËn n y l c¸c gi¸ trÞ trung b×nh n¨m v to n cÇu; nã kh«ng cÇn ¸p dông ®èi víi mét n¬i hay mét thêi gian n o cô thÓ (xem h×nh 3.7). VÒ trung b×nh to n cÇu, khÝ quyÓn hÊp thô 25 trong sè 100 ®¬n vÞ hiÖn cã t¹i ®Ønh khÝ quyÓn. 7 trong sè 25 ®¬n vÞ l bøc x¹ cùc tÝm bÞ hÊp thô trong b×nh l u http://www.ebook.edu.vn 92
quyÓn bëi «z«n, phÇn lín cßn l¹i l bøc x¹ cËn hång ngo¹i bÞ hÊp thô trong ®èi l u quyÓn bëi c¸c chÊt khÝ (chñ yÕu h¬i n íc). VËy phÇn lín bøc x¹ hÊp thô bëi khÝ quyÓn kh«ng ph¶i l bøc x¹ nh×n thÊy - mét t×nh thÕ cã lîi víi chóng ta, bëi v× nÕu nh bøc x¹ nh×n thÊy bÞ hÊp thô m¹nh bëi khÝ quyÓn, th× chóng ta khã m nh×n ® îc. Ph¶i nhËn xÐt thªm r»ng t ¬ng ®èi Ýt bøc x¹ sãng ng¾n bÞ hÊp thô bëi m©y; ng îc l¹i, m©y t¸c ®éng ®Õn bøc x¹ tíi chñ yÕu th«ng qua sù t¸n x¹ v ph¶n x¹. H×nh 3.7. Bøc x¹ MÆt Trêi tíi kh¶ n¨ng chÞu t¸c ®éng cña mét sè qu¸ tr×nh khi nã ®i qua khÝ quyÓn. M©y v c¸c khÝ khÝ quyÓn ph¶n x¹ tuÇn tù 19 v 6 ®¬n vÞ trë l¹i kho¶ng kh«ng. KhÝ quyÓn hÊp thô 25 ®¬n vÞ. ChØ mét nöa bøc x¹ tíi kh¶ n¨ng t¹i ®Ønh khÝ quyÓn thùc sù ®¹t tíi mÆt ®Êt, tõ ®ã 5 ®¬n vÞ n÷a bÞ ph¶n x¹ ng îc l¹i. Bøc x¹ rßng do mÆt ®Êt hÊp thô l 45 ®¬n vÞ Tuy c¸c giät n íc m©y hÊp thô bøc x¹ sãng ng¾n t ¬ng ®èi kÐm hiÖu qu¶, chóng t¸n x¹ trë l¹i mét tØ phÇn lín n¨ng l îng tíi. M©y cã albe®« cao kh«ng nh÷ng l m cho nã ® îc nh×n thÊy râ thËm chÝ tõ trong vò trô, m cßn l m gi¶m m¹nh l îng n¨ng l îng kh¶ n¨ng l m nãng khÝ quyÓn v bÒ mÆt. VÒ trung b×nh, th¶m m©y to n cÇu ph¶n x¹ 19 ®¬n vÞ bøc x¹ tíi trë l¹i vò trô. Nh ng m©y kh«ng ph¶i l t¸c nh©n ph¶n x¹ duy nhÊt. LÊy trung b×nh to n cÇu, c¸c chÊt khÝ khÝ quyÓn v son khÝ t¸n x¹ ng îc l¹i v o vò trô 6 trong sè 100 ®¬n vÞ bøc x¹ tíi t¹i ®Ønh khÝ quyÓn, trong ®ã t¸n x¹ Rayleigh quan träng h¬n t¸n x¹ Mie (bëi v× t¸n x¹ Mie chñ yÕu h íng xuèng phÝa d íi h¬n l h íng trë l¹i vò trô). Tæng céng, t¸n x¹ bëi m©y v c¸c chÊt khÝ tr¶ l¹i vò trô 25 ®¬n vÞ (tøc chóng l m cho khÝ quyÓn cã albe®« =25 %). Sau khi khÝ quyÓn hÊp thô v t¸n x¹, 50 ®¬n vÞ bøc x¹ tíi cã thÓ ®¹t tíi bÒ mÆt. Nh ng kh«ng ph¶i tÊt c¶ bøc x¹ ®¹t tíi bÒ mÆt ® îc hÊp thô, bëi v× bÒ mÆt Tr¸i §Êt kh«ng ph¶i ®en tuyÖt ®èi. Trong sè 50 ®¬n vÞ xuèng tíi bÒ mÆt, 5 ®¬n vÞ bÞ quay trë l¹i kho¶ng kh«ng. Tæng céng cã tÊt c¶ 30 ®¬n vÞ bøc x¹ MÆt Trêi ® îc ph¸t t¸n trë l¹i vò trô (25 tõ khÝ quyÓn v 5 tõ bÒ mÆt), dÉn tíi mét albe®« h nh tinh l 30 %. H·y l u ý l l îng bøc x¹ tíi bÞ ph¶n x¹ tõ mÆt ®Êt h¬i nhá h¬n l îng bÞ ph¸t t¸n trë l¹i bëi c¸c chÊt khÝ khÝ quyÓn. Nãi c¸ch kh¸c, khi nh×n tõ vò trô, h nh tinh cña chóng ta s¸ng l nhê ph¶n x¹ khÝ quyÓn h¬n l nhê ph¶n x¹ mÆt ®Êt. KÕt qu¶ cuèi cïng cña c¸c qu¸ tr×nh n y l khÝ quyÓn hÊp thô 25 ®¬n vÞ n¨ng http://www.ebook.edu.vn 93
l îng, cßn mÆt ®Êt nhËn lÊy 45 ®¬n vÞ. NÕu nh c©u chuyÖn chØ cã thÕ, tÊt c¶ chóng ta sÏ bÞ nguy to, bëi v× sù cung øng nhiÖt kh«ng ®æi sÏ l m cho h nh tinh liªn tôc nãng lªn. ThËt vËy, nÕu nh nguån n¨ng l îng n y ® îc tÝch lòy trong mét líp v i cm bªn trªn bÒ mÆt Tr¸i §Êt, th× mÆt ®Êt sÏ bÞ nung nãng víi tèc ®é v i tr¨m ®é b¸ch ph©n trong mét ng y! Râ r ng chóng ta kh«ng thÊy c¸c ®¹i d ¬ng bÞ s«i lªn, m mÆt ®Êt th× còng kh«ng bÞ nãng ch¶y ra; vËy th× bÒ mÆt ph¶i kh«ng ngõng l m mÊt n¨ng l îng. KhÝ quyÓn còng thÕ, v ®èi víi to n bé hÖ thèng Tr¸i §Êt - khÝ quyÓn còng thÕ. Nãi c¸ch kh¸c, trong ®iÒu kiÖn kh«ng cã biÕn ®æi khÝ hËu, th× bÒ mÆt, khÝ quyÓn v hÖ thèng h nh tinh ph¶i l m mÊt nhiÒu n¨ng l îng nh chóng ®· nhËn ® îc. §Ó ®¹t ® îc sù c©n b»ng n¨ng l îng ®ã, nh÷ng l îng n¨ng l îng khæng lå ph¶i ® îc vËn chuyÓn ra khái hÖ thèng Tr¸i §Êt, v trong ph¹m vi hÖ thèng gi÷a bÒ mÆt v khÝ quyÓn. B©y giê chóng ta b n ®Õn nh÷ng c¬ chÕ liªn quan tíi viÖc duy tr× c©n b»ng n¨ng l îng cña Tr¸i §Êt. Nh÷ng qu¸ tr×nh truyÒn n¨ng l îng gi÷a bÒ mÆt v khÝ quyÓn KhÝ quyÓn v bÒ mÆt kh«ng ngõng trao ®æi n¨ng l îng víi nhau. PhÇn lín qu¸ tr×nh trao ®æi n¨ng l îng ®ã ® îc thùc hiÖn b»ng ph¸t x¹ v hÊp thô bøc x¹, nh ng c¸c qu¸ tr×nh kh¸c còng quan träng. Môc n y m« t¶ nh÷ng qu¸ tr×nh m th«ng qua chóng n¨ng l îng ® îc truyÒn ®i. Trao ®æi bøc x¹ bÒ mÆt - khÝ quyÓn Gièng nh tÊt c¶ nh÷ng vËt thÓ kh¸c cã nhiÖt ®é n»m trong ph¹m vi nhiÖt ®é Tr¸i §Êt, bÒ mÆt Tr¸i §Êt v khÝ quyÓn ph¸t n¨ng l îng gÇn nh ho n to n ë vïng sãng d i (chñ yÕu l nhiÖt hång ngo¹i). Mäi b n luËn vÒ vËn chuyÓn n¨ng l îng sãng d i ®Òu cã phÇn phøc t¹p h¬n so víi b n luËn vÒ bøc x¹ MÆt Trêi, bëi v× n¨ng l îng sãng d i kh«ng cã ®iÓm ®Çu hay ®iÓm cuèi râ rÖt. Bøc x¹ sãng d i do bÒ mÆt Tr¸i §Êt ph¸t x¹ bÞ hÊp thô m¹nh bëi khÝ quyÓn. §iÒu ®ã l m t¨ng nhiÖt ®é cña khÝ quyÓn v l m cho khÝ quyÓn c ng ph¸t x¹ nhiÒu n¨ng l îng h¬n ra ngo i kho¶ng kh«ng. N¨ng l îng do khÝ quyÓn ph¸t x¹ ® îc truyÒn trong tÊt c¶ c¸c h íng, kÓ c¶ h íng xuèng phÝa d íi, v do ®ã, bÒ mÆt nhËn ® îc mét phÇn ®¸ng kÓ n¨ng l îng n y. Qu¸ tr×nh n y l¹i l m bÒ mÆt ® îc nung nãng tiÕp, l¹i dÉn tíi t¨ng ph¸t bøc x¹ sãng d i tõ bÒ mÆt, khÝ quyÓn l¹i thu ® îc nhiÖt, v cø thÕ tiÕp diÔn. Nãi c¸ch kh¸c, cã mét chu tr×nh trao ®æi v« tËn, trong ®ã n¨ng l îng liªn tôc vËn chuyÓn tíi v lui. H×nh 3.8 m« t¶ l îng bøc x¹ sãng d i trung b×nh to n cÇu trao ®æi gi÷a khÝ quyÓn v bÒ mÆt. B¾t ®Çu víi bÒ mÆt, chóng ta thÊy r»ng 104 ®¬n vÞ bøc x¹ sãng d i ® îc ph¸t lªn trªn v o khÝ quyÓn, phÇn lín nhÊt (100 ®¬n vÞ) bÞ hÊp thô bëi khÝ quyÓn. KhÝ quyÓn trong s¹ch hÊp thô bøc x¹ nhiÖt tèt h¬n nhiÒu so víi bøc x¹ MÆt Trêi, chÝnh l do sù cã mÆt cña h¬i n íc v cacbonic. Nh ®· thÊy trªn h×nh 3.9, c¶ hai chÊt khÝ n y ®Òu l nh÷ng vËt hÊp thô tèt bøc x¹ sãng d i, d¶i hÊp thô m¹nh n»m ë phÇn sãng d i cña phæ (xem chuyªn môc 3-1: Nh÷ng nguyªn lý vËt lý: Sù hÊp thô chän läc bëi h¬i n íc v khÝ cacbonic). http://www.ebook.edu.vn 94
H×nh 3.8. Sù di chuyÓn bøc x¹ sãng d i gi÷a bÒ mÆt v khÝ quyÓn. BÒ mÆt ph¸t 104 ®¬n vÞ lªn khÝ quyÓn v nhËn 88 tõ khÝ quyÓn, tæn thÊt rßng 16 ®v. KhÝ quyÓn ph¸t 154 ®¬n vÞ v nhËn 100 tõ bÒ mÆt, thiÕu hôt rßng 54 ®v H×nh 3.9. BÒ mÆt Tr¸i §Êt ph¸t bøc x¹ gÇn gièng vËt ®en (a), nh ng c¸c chÊt khÝ khÝ quyÓn hÊp thô phÇn lín n¨ng l îng víi b íc sãng ngo i d¶i 8 ®Õn 11 μ m. Vïng bÞ t« ®en ë (a) chØ n¨ng l îng bÞ khÝ quyÓn hÊp thô. H×nh (b) biÓu diÔn hiÖu suÊt hÊp thô n¨ng l îng cña c¸c chÊt khÝ cô thÓ. TØ lÖ cña vïng t« ®en chØ phÇn tr¨m cña n¨ng l îng sãng d i bÞ hÊp thô MÆc dï h¬i n íc, cacbonic v c¸c chÊt khÝ nh kÝnh kh¸c l nh÷ng chÊt hÊp thô tèt phÇn lín c¸c b íc sãng cña bøc x¹ sãng d i, mét phÇn cña phæ sãng d i cã thÓ ®i qua khÝ quyÓn mét c¸ch t ¬ng ®èi v« h¹i. §iÒu rÊt lý thó l , c¸c b íc sãng http://www.ebook.edu.vn 95
trong d¶i n y, 8 ®Õn 12 μ m , l¹i trïng hîp víi c¸c b íc sãng m bÒ mÆt Tr¸i §Êt ph¸t x¹ m¹nh nhÊt. D¶i b íc sãng kh«ng bÞ c¸c chÊt khÝ khÝ quyÓn hÊp thô n y ® îc gäi l cöa sæ khÝ quyÓn. Kh«ng nªn nghÜ r»ng cöa sæ khÝ quyÓn l n¬i khÝ quyÓn kh«ng cã mét sè chÊt khÝ, nã chØ l mét d¶i b íc sãng cã tÇm quan träng ®Æc biÖt ®èi víi sù c©n b»ng bøc x¹. MÆc dï c¸c chÊt khÝ cña khÝ quyÓn kh«ng hÊp thô hiÖu qu¶ nh÷ng b íc sãng trong cöa sæ khÝ quyÓn, nh ng m©y (thËm chÝ víi ®é d y rÊt khiªm tèn) l¹i s½n s ng hÊp thô gÇn nh tÊt c¶ bøc x¹ sãng d i. §iÒu n y gi¶i thÝch t¹i sao c¸c ®ªm nhiÒu m©y kh«ng bÞ l¹nh nhanh nh nh÷ng ®ªm trêi trong. Khi bÇu trêi ®ªm bÞ phñ ®Çy m©y, th¶m m©y hÊp thô mét phÇn lín n¨ng l îng m lÏ ra sÏ tho¸t v o vò trô. § îc nãng lªn bëi n¨ng l îng ®ã, m©y ph¸t bøc x¹ sãng d i xuèng phÝa bÒ mÆt v nh÷ng l îng Ýt h¬n lªn trªn v o kho¶ng kh«ng. Nh vËy, m©y cã t¸c dông gièng nh mét tÊm ch¨n gióp gi÷ nhiÖt. V× vËy, c¸c ph©n tö khÝ buéc ph¶i hÊp thô chØ nh÷ng ph«t«n nhÊt ®Þnh, cô 3-1 Nh÷ng nguyªn lý vËt lý: thÓ l nh÷ng ph«t«n n o ®Èy ® îc ph©n Sù hÊp thô chän läc cña h¬i n íc v khÝ tö tíi c¸c tr¹ng th¸i n¨ng l îng cho phÐp. cacbonic Nh÷ng ph«t«n víi gi¸ trÞ n¨ng l îng cao h¬n hoÆc thÊp h¬n sÏ kh«ng bÞ hÊp thô m ng îc l¹i, ®i qua ® îc chÊt khÝ. Bëi v× H¬i n íc v cacbonic l hai chÊt khÝ mét b íc sãng duy nhÊt liªn quan víi mçi quan träng nhÊt ®èi víi sù hÊp thô sãng møc n¨ng l îng, ®iÒu n y t ¬ng ® ¬ng d i do bÒ mÆt ph¸t x¹. V× sao nh÷ng chÊt víi nãi r»ng chØ c¸c b íc sãng nhÊt ®Þnh khÝ n y cã tÝnh chän läc, chóng gÇn nh míi cã thÓ bÞ hÊp thô bëi mét chÊt khÝ cô trong suèt ®èi víi bøc x¹ sãng ng¾n, thÓ. (§iÒu n y kh«ng ®óng víi c¸c chÊt nh ng gÇn nh kh«ng xuyªn qua ®èi víi láng v r¾n, c¸c ph©n tö cña chóng t ¬ng sãng d i. H·y nhí l¹i tõ ch ¬ng 2 r»ng t¸c ®Ó hÊp thô liªn tôc nhiÒu h¬n). Mét c¸c nguyªn tö biÖt lËp cã nh÷ng tr¹ng b íc sãng cô thÓ cã thÓ bÞ hÊp thô hay th¸i n¨ng l îng gi¸n ®o¹n, v chØ cã mét kh«ng tïy thuéc v o cÊu tróc ph©n tö cña sè tr¹ng th¸i n¨ng l îng cã thÓ. Khi n¨ng chÊt hÊp thô (h×nh d¸ng h×nh häc cña c¸c l îng ® îc hÊp thô v ph¸t x¹ bëi mét ®iÖn tö, v.v..). Nh ®· thÊy, c¸c chÊt khÝ ph©n tö khÝ, tr¹ng th¸i n¨ng l îng cña trong khÝ quyÓn kh«ng cã b¨ng hÊp thô nã t¨ng v gi¶m nh÷ng l îng gi¸n ®o¹n m¹nh ë phÇn phæ nh×n thÊy. Nh ng mét tõ mét tr¹ng th¸i cho phÐp tíi tr¹ng kh¸i sè trong chóng, gåm h¬i n íc v cacbonic, kh¸c. Chóng ta còng ®· thÊy n¨ng l îng cã cÊu tróc ph©n tö cho phÐp hÊp thô bøc liªn quan tíi mét ph«t«n bøc x¹ l gi¸n x¹ sãng d i. KÕt côc, c¸c chÊt khÝ kh¸c ®o¹n v phô thuéc v o b íc sãng cña nã. nhau hÊp thô phÇn lín n¨ng l îng sãng NÕu biÕt b íc sãng, chóng ta biÕt møc d i ®i qua khÝ quyÓn. n¨ng l îng cña ph«t«n. H·y xem l¹i h×nh 3.8. N¨ng l îng khÝ quyÓn ph¸t tæng céng 154 ®¬n vÞ, trong ®ã 88 h íng xuèng phÝa bÒ mÆt v 66 ph¸t lªn kho¶ng kh«ng. L u ý r»ng bøc x¹ sãng d i bÞ mÊt tõ khÝ quyÓn v ît tréi l îng m nã hÊp thô tõ bÒ mÆt. HiÖu gi÷a bøc x¹ sãng d i bÞ hÊp thô v ph¸t ®i ® îc gäi l bøc x¹ sãng d i thuÇn. §èi víi http://www.ebook.edu.vn 96
khÝ quyÓn, bøc x¹ sãng d i thuÇn l mét sè ©m 54 ( 100 − 154 ) ®¬n vÞ. T ¬ng tù, bÒ mÆt nhËn 88 ®¬n vÞ bøc x¹ sãng d i, nh ng l îng n y bÐ h¬n 104 ®¬n vÞ ph¸t ®i, vËy thiÕu hôt bøc x¹ sãng d i thuÇn l 16 ®¬n vÞ. H×nh 3.10. Bøc x¹ thuÇn l kÕt qu¶ cuèi cïng cña hÊp thô bøc x¹ tíi v hÊp thô v ph¸t x¹ bøc x¹ sãng d i. BÒ mÆt cã mét d l îng bøc x¹ 29 ®¬n vÞ, cßn khÝ quyÓn cã thiÕu hôt 29 ®¬n vÞ MÆc dï bøc x¹ sãng ng¾n v sãng d i ® îc hÊp thô v ph¶n x¹ víi c¸c l îng kh¸c nhau, nh ng chóng kh«ng ph¶i l nh÷ng thø t¸ch biÖt h¼n nh l sù nung nãng khÝ quyÓn v sù nung nãng bÒ mÆt m chóng ta quan t©m. Khi mét thø ® îc hÊp thô, vËt hÊp thô bÞ nãng lªn. V× vËy mét c¸ch tù nhiªn, chóng ta kÕt hîp sãng d i v sãng ng¾n th nh bøc x¹ tæng céng c¸c sãng thuÇn, hay ®¬n gi¶n l bøc x¹ thuÇn, ® îc ®Þnh nghÜa l hiÖu gi÷a bøc x¹ hÊp thô v bøc x¹ ph¸t x¹, hay mét c¸ch t ¬ng ® ¬ng, n¨ng l îng thuÇn nhËn ® îc hay bÞ mÊt ®i do bøc x¹. H×nh 3.10 tæng kÕt c©n b»ng bøc x¹ thuÇn ®èi víi Tr¸i §Êt. KhÝ quyÓn hÊp thô 25 ®¬n vÞ cña bøc x¹ MÆt Trêi, nh ng chÞu tæn thÊt thuÇn 54 ®¬n vÞ cña bøc x¹ nhiÖt ®Ó dÉn ®Õn thiÕu hôt thuÇn 29 ®¬n vÞ. BÒ mÆt hÊp thô 45 ®¬n vÞ bøc x¹ MÆt Trêi, nh ng bÞ thiÕu hôt sãng d i 16 ®¬n vÞ, dÉn ®Õn d l îng bøc x¹ thuÇn 29 ®¬n vÞ. Nãi c¸ch kh¸c, khÝ quyÓn cã mét l îng thiÕu hôt thuÇn vÒ n¨ng l îng bøc x¹ ®óng b»ng d l îng m bÒ mÆt cã ® îc. NÕu nh bøc x¹ l ph ¬ng tiÖn duy nhÊt trao ®æi n¨ng l îng, d l îng n¨ng l îng bøc x¹ nhËn ® îc bëi bÒ mÆt sÏ dÉn tíi mét sù nãng lªn liªn tôc, trong khi thiÕu hôt cña khÝ quyÓn sÏ dÉn tíi sù l¹nh ®i vÜnh viÔn. NÕu vËy th× b n ch©n chóng ta sÏ bÞ rép lªn v× mét mÆt ®Êt nãng báng khñng khiÕp, trong khi phÇn cßn l¹i cña th©n thÓ víi kh«ng khÝ l¹nh cãng bao quanh sÏ bÞ ®«ng cøng. §iÒu ®ã dÜ nhiªn ®· kh«ng x¶y ra, bëi v× n¨ng l îng ® îc vËn chuyÓn tõ bÒ mÆt v o khÝ quyÓn v trong ph¹m vi khÝ quyÓn b»ng hai h×nh thøc truyÒn nhiÖt kh¸c: truyÒn dÉn v http://www.ebook.edu.vn 97
®èi l u. VËn chuyÓn n¨ng l îng thuÇn bëi hai qu¸ tr×nh n y cho phÐp d l îng bøc x¹ t¹i bÒ mÆt bÞ triÖt tiªu, ®ång thêi bï ®¾p cho th©m hôt bøc x¹ cña khÝ quyÓn. TruyÒn dÉn Sù truyÒn dÉn ®· ® îc m« t¶ kh¸i l îc ë ch ¬ng 2 ®ãng vai trß quan träng trong sù vËn chuyÓn n¨ng l îng ë l©n cËn bÒ mÆt. V× n¨ng l îng bøc x¹ ® îc hÊp thô bëi bÒ mÆt r¾n cña Tr¸i §Êt trong thêi gian gi÷a ban ng y, mét gra®ien nhiÖt ®é (tèc ®é biÕn ®æi cña nhiÖt ®é theo kho¶ng c¸ch) ph¸t triÓn ë líp ®Êt trªn d y v i x¨ngtimÐt. Nãi c¸ch kh¸c, nhiÖt ®é gÇn bÒ mÆt trë nªn lín h¬n nhiÖt ®é ë mét v i x¨ngtimÐt bªn d íi. KÕt qu¶ l truyÒn dÉn mang n¨ng l îng xuèng phÝa d íi. Sù nung nãng ®Êt trong ng y cßn t¹o nªn mét gra®ien nhiÖt ®é trong ph¹m vi líp rÊt máng cña kh«ng khÝ cËn kÒ bÒ mÆt, gäi l líp biªn ph©n tÇng. MÆc dï kh«ng khÝ th êng di ®éng h¬n v cã kh¶ n¨ng dÔ d ng bÞ x¸o trén, c¸c líp rÊt máng víi ®é d y cì v i milimÐt c¶n trë sù x¸o trén. V× thÕ, trong thêi gian gi÷a ban ng y gra®ien nhiÖt ®é rÊt m¹nh cã thÓ ph¸t triÓn trong líp biªn ph©n tÇng, th«ng qua ®ã cã thÓ x¶y ra sù dÉn nhiÖt ®¸ng kÓ. N¨ng l îng ® îc dÉn qua líp biªn ph©n tÇng sau ®ã ® îc ph©n phèi cho phÇn cßn l¹i cña khÝ quyÓn b»ng mét qu¸ tr×nh x¸o trén ® îc gäi l sù ®èi l u. §èi l u §èi l u l mét qu¸ tr×nh trong ®ã nhiÖt l îng ® îc truyÒn ®i b»ng sù chuyÓn ®éng vËt thÓ cña vËt láng - tøc chÊt láng hoÆc chÊt khÝ. Tr¸i ng îc víi truyÒn dÉn, ®èi l u liªn quan tíi sù di chuyÓn thùc cña c¸c ph©n tö. Kh«ng gièng víi sù truyÒn dÉn vËn chuyÓn n¨ng l îng tõ bÒ mÆt v o khÝ quyÓn, ®èi l u l m l u th«ng nhiÖt l îng n y gi÷a bé phËn thÊp nhÊt v bé phËn cßn l¹i cña khÝ quyÓn. H íng cña vËn chuyÓn nhiÖt l h íng lªn trªn khi nhiÖt ®é bÒ mÆt v ît tréi nhiÖt ®é kh«ng khÝ (t×nh huèng th«ng th êng v o thêi gian gi÷a ng y). Ban ®ªm, bÒ mÆt th êng l¹nh ®i nhanh h¬n so víi kh«ng khÝ v n¨ng l îng ® îc truyÒn h íng xuèng d íi. Sù ®èi l u cã thÓ ph¸t sinh bëi hai qu¸ tr×nh trong c¸c chÊt láng: nung nãng côc bé (®èi l u tù do) v khuÊy ®éng c¬ häc (®èi l u c ìng bøc). §èi l u tù do. §èi l u tù do l qu¸ tr×nh x¸o trén liªn quan tíi ®é næi - xu thÕ mét chÊt láng nhÑ h¬n næi lªn trªn khi bÞ bao quanh bëi mét chÊt láng nÆng h¬n. H·y nhí l¹i nh÷ng ng y th¬ Êu cña b¹n, khi b¹n muèn chäc tøc cha mÑ m×nh b»ng c¸ch thæi bong bãng qua c¸i cäng r¬m trong cèc s÷a. Khi kh«ng khÝ ® îc thæi v o s÷a, nã ph¶i lËp tøc næi lªn trªn, v× nã nhÑ h¬n v t¹o nªn sù x¸o trén rèi. §ã l biÓu hiÖn cña ®èi l u tù do. §èi l u tù do (® îc thÓ hiÖn trong h×nh 3.11a) th êng xuÊt hiÖn khi mét bé phËn kh«ng khÝ côc bé bÞ nung nãng h¬n so víi kh«ng khÝ l©n cËn. V× kh«ng khÝ nãng nhÑ h¬n kh«ng khÝ l¹nh, nã cã ®é næi t ¬ng ®èi v n©ng lªn. V o mét ng y hÌ Êm ¸p, chóng ta cã thÓ thÊy hiÖu øng cña ®èi l u tù do b»ng c¸ch quan s¸t mét con chim diÒu h©u (h×nh 3.11b) bay l în th¶ m×nh trong kh«ng khÝ kh«ng vÉy c¸nh. Có bay ®ã l cã thÓ bëi v× c¸nh cã chøc n¨ng ®ãn nh÷ng luång kh«ng khÝ nhÑ th¨ng lªn n©ng con diÒu h©u lªn. §èi l u cã thÓ cã c¸c t¸c ®éng quan träng h¬n n÷a so víi viÖc http://www.ebook.edu.vn 98
gi÷ nh÷ng con diÒu h©u trong kh«ng khÝ. H×nh 3.11. §èi l u (a) l mét c¬ chÕ truyÒn nhiÖt liªn quan tíi sù x¸o trén cña chÊt láng. Trong ®èi l u tù do, nung nãng côc bé cã thÓ l m cho mét bé phËn kh«ng khÝ n©ng lªn v ® îc thay thÕ bëi kh«ng khÝ xung quanh. §èi l u tù do cã thÓ t¹o nªn nh÷ng luång kh«ng khÝ th¨ng gi÷ mét con diÒu h©u l în trong kh«ng khÝ (b) m kh«ng cÇn vÉy c¸nh §èi l u c ìng bøc. §èi l u c ìng bøc (cßn gäi l rèi c¬ häc) xuÊt hiÖn khi mét chÊt láng bÞ cuèn v o nh÷ng chuyÓn ®éng cuén xo¸y v« tæ chøc khi nã chÞu t¸c ®éng cña mét dßng ch¶y quy m« lín. ThÝ dô, khi n íc ch¶y qua mét kªnh s«ng, nã kh«ng ch¶y mét c¸ch ®Òu ®Æn nh n íc si r« rÊt ®Ëm ®Æc. Ng îc l¹i, dßng ch¶y tan vì ra th nh rÊt nhiÒu cuén xo¸y. §èi l u c ìng bøc trong khÝ quyÓn ® îc biÓu diÖn trªn h×nh 3.12. Kh«ng khÝ chuyÓn ®éng theo ph ¬ng ngang chÞu t¸c ®éng cña chÝnh lo¹i rèi n y. Thay v× di chuyÓn nh mét khèi ®ång ®Òu, kh«ng khÝ bÞ tan vì th nh rÊt nhiÒu côm nhá, mçi côm víi tèc ®é v h íng cña riªng m×nh, cïng nhau l m th nh dßng ch¶y quy m« lín h¬n. V× ë ®©y cã mét hîp phÇn th¼ng ®øng kh¸ m¹nh trong c¸c chuyÓn ®éng rèi, nªn ®èi l u c ìng bøc trî gióp cho sù vËn chuyÓn n¨ng l îng tõ ®Ønh cña líp biªn ph©n tÇng ®i lªn phÝa trªn trong thêi gian ban ng y. Nãi chung, tèc ®é giã c ng lín th× sinh ra ®èi l u c ìng bøc c ng m¹nh. Rèi c¬ häc cßn ® îc t¨ng c êng khi kh«ng khÝ ch¶y qua nh÷ng bÒ mÆt gå ghÒ (thÝ dô, c¸c khu rõng v c¸c th nh phè) chø kh«ng ph¶i l nh÷ng bÒ mÆt tr¬n nh½n nh c¸c s«ng b¨ng. §èi l u tù do v c ìng bøc vËn chuyÓn hai lo¹i n¨ng l îng: nhiÖt hiÖn v nhiÖt Èn. H×nh 3.12. §èi l u c ìng bøc. Kh«ng khÝ bÞ c ìng bøc x¸o trén theo ph ¬ng th¼ng ®øng v× ®é nhít (kh¶ n¨ng g¾n bã víi nhau) cña nã thÊp v giã bÞ lÖch h íng bëi nh÷ng cÊu tróc bÒ mÆt NhiÖt hiÖn. VËn chuyÓn n¨ng l îng nh l nhiÖt hiÖn th× dÔ hiÓu. Khi n¨ng http://www.ebook.edu.vn 99
l îng ® îc bæ sung cho mét chÊt, cã thÓ xuÊt hiÖn mét sù t¨ng nhiÖt ®é m chóng ta c¶m nhËn ® îc (do ®ã m cã thuËt ng÷ nhiÖt hiÖn). §ã l c¸i m b¹n tr¶i nghiÖm ® îc khi b¹n ë ngo i trêi v o mét ng y cã MÆt Trêi Êm ¸p; sù t¨ng nhiÖt ®é da cña b¹n l do nhËn ® îc nhiÖt hiÖn. Gi¸ trÞ t¨ng nhiÖt ®é liªn quan tíi hai nh©n tè, nh©n tè thø nhÊt l nhiÖt dung riªng, ® îc ®Þnh nghÜa l l îng nhiÖt cÇn thiÕt ®Ó t¹o ra mét biÕn ®æi nhiÖt ®é ®· ®Þnh cho mét ®¬n vÞ khèi l îng cña chÊt. Trong hÖ ®¬n vÞ SI, nhiÖt dung riªng ® îc biÓu diÔn b»ng J/(kg.K). NÕu mäi ®iÒu kiÖn kh¸c nh nhau, th× mét chÊt víi nhiÖt dung riªng cao nãng lªn chËm, bëi v× ®ßi hái nhiÒu n¨ng l îng ®Ó t¹o ra mét biÕn ®æi nhiÖt ®é ®· ®Þnh. T ¬ng tù, nÕu chÊp nhËn cïng mét tèc ®é mÊt n¨ng l îng, th× mét chÊt víi nhiÖt dung riªng cao sÏ cÇn thêi gian l©u h¬n ®Ó bÞ l¹nh ®i. H×nh 3.13. H m l îng nhiÖt cña mét chÊt phô thuéc v o mét sè nh©n tè. ë (a) nhËp l îng 4190 J n¨ng l îng cho 1 kg n íc l m t¨ng nhiÖt ®é 1 oC, cßn nhËp l îng n¨ng l îng gÊp ®«i l m nãng gÊp ®«i. NhiÖt dung riªng cña mét chÊt cßn ¶nh h ëng tíi ®é biÕn ®æi nhiÖt ®é tõ mét nhËp l îng n¨ng l îng. ë (b) sö dông 4190 J cho 1 kg c¸t l m t¨ng nhiÖt ®é lín h¬n 5 lÇn so víi 1 kg n íc. Khèi l îng còng ¶nh h ëng tíi ®é biÕn ®æi nhiÖt ®é t ¬ng øng cña mét nhËp l îng n¨ng l îng cho tr íc. H·y l u ý ë (c) r»ng gia l îng nhiÖt ®é ®èi víi 2 kg n íc b»ng mét nöa gia l îng nhiÖt ®é cña 1 kg Gia l îng nhiÖt ®é do mét nhËp d n¨ng l îng cßn phô thuéc v o khèi l îng cña chÊt. Kh«ng ng¹c nhiªn khi mét nhiÖt l îng nhËp v o nhÊt ®Þnh dÉn tíi t¨ng nhiÖt ®é rÊt nhiÒu nÕu nhiÖt l îng ®ã ® îc cung cÊp cho mét khèi l îng nhá. ThÝ dô, h·y so s¸nh l îng n¨ng l îng cÇn ®Ó l m s«i mét b×nh tr víi l îng nhiÖt cÇn http://www.ebook.edu.vn 100
®Ó l m nãng bån t¾m. ChØ trong Ýt phót mét ng¨n löa bÕp lß cã thÓ l m cho n íc s½n s ng pha tr , nh ng m¸y ®un n íc cña b¹n ph¶i cung cÊp nhiÒu n¨ng l îng h¬n cho l îng n íc lín cña bån t¾m. Nh÷ng quan hÖ n y ®· ® îc thÓ hiÖn trªn h×nh 3.13. NhiÖt hiÖn truyÒn ®i b»ng truyÒn dÉn qua líp biªn ph©n tÇng v sau ®ã ph©n ph¸t lªn phÝa trªn b»ng ®èi l u. Th«ng qua c¸c c¬ chÕ n y, 8 trong sè 29 ®¬n vÞ d l îng bøc x¹ thuÇn cña bÒ mÆt ® îc truyÒn v o khÝ quyÓn, ë ®©y nã bï trõ cho l îng th©m hôt bøc x¹ thuÇn. 21 ®¬n vÞ cßn l¹i ® îc ® îc truyÒn v o khÝ quyÓn b»ng ®èi l u nhiÖt d íi mét d¹ng kh¸c. NhiÖt Èn. NhiÖt Èn l mét thø g× ®ã Ýt trùc gi¸c h¬n so víi nhiÖt hiÖn. Nã l n¨ng l îng cÇn ®Ó thay ®æi pha cña mét chÊt (tøc tr¹ng th¸i chÊt l r¾n, láng hay khÝ). Trong khÝ t îng häc, chóng ta chñ yÕu chØ ®Ò cËp tíi nhiÖt l îng liªn quan tíi sù thay ®æi pha cña n íc. Nhí l¹i r»ng tÊt c¶ c¸c qu¸ tr×nh vËt lý ®ßi hái n¨ng l îng. Bay h¬i n íc v tan ch¶y b¨ng kh«ng ph¶i l nh÷ng ngo¹i lÖ cña quy t¾c n y - ®èi víi c¶ hai qu¸ tr×nh, n¨ng l îng cÇn ph¶i ® îc cung cÊp. Trong tr êng hîp tan b¨ng, n¨ng l îng ® îc gäi l nhiÖt Èn nãng ch¶y. §èi víi sù thay ®æi pha tõ láng sang khÝ, n¨ng l îng ® îc gäi l nhiÖt Èn hãa h¬i. §Ó hãa h¬i 1 kg n íc láng, cÇn b¶y lÇn r ìi n¨ng l îng (2500000 J) lín h¬n tr êng hîp l m tan ch¶y cïng l îng b¨ng nh vËy (335 000 J). MÆc dï c¶ hai d¹ng nhiÖt Èn cã thÓ ®Òu quan träng côc bé, nh ng ë quy m« to n cÇu, th× nhiÖt Èn hãa h¬i quan träng h¬n nhiÒu. Khi bøc x¹ ® îc nhËn tõ bÒ mÆt, nã cã thÓ l m t¨ng nhiÖt ®é cña ®Êt hay n íc. NÕu cã n íc ë bÒ mÆt (hoÆc cã thÓ ® îc lÊy lªn tõ phÝa d íi bÒ mÆt nhê hÖ thèng rÔ c©y), th× phÇn n¨ng l îng n o ®ã thay v× cã thÓ bÞ sö dông ®Ó l m t¨ng nhiÖt ®é bÒ mÆt l¹i cã thÓ dïng v o l m bay h¬i mét phÇn n íc. §iÒu ®ã l m cho nhiÖt ®é t¨ng Ýt h¬n so víi tr êng hîp bÒ mÆt kh«. B¹n cã lÏ ®· tr¶i nghiÖm ® îc ®iÒu n y trong khi ®i bé ch©n kh«ng trªn mét vØa hÌ nãng. NÕu vØa hÌ ® îc phun n íc, bÒ mÆt sÏ l¹nh ®i, v× n¨ng l îng ® îc lÊy tõ nÒn ®Êt v dïng cho bay h¬i. L îng n¨ng l îng tiªu thô cã thÓ b»ng 90 % cña bøc x¹ MÆt Trêi hÊp thô ®èi víi mét bÒ mÆt rÊt Èm. Chóng ta sö dông mét thÝ dô quen thuéc kh¸c ®Ó minh häa cho kh¸i niÖm nhiÖt Èn. TÊt c¶ chóng ta ®Òu biÕt r»ng ra må h«i l mét c¬ chÕ l m h¹ nhiÖt ®é c¬ thÓ v gi÷ cho chóng ta kh«ng bÞ qu¸ nãng. Nh ng nã ho¹t ®éng ra sao? Râ r ng l må h«i l¹nh - nh ng nã nãng nh c¬ thÓ t¹o ra nã. Nguyªn nh©n m må h«i l m m¸t ng êi ta l nhiÖt Èn. Khi b¹n luyÖn tËp, nhiÖt l îng ® îc t¹o ra nh mét phô phÈm l m cho nhiÖt ®é c¬ thÓ b¹n t¨ng lªn. Tuy nhiªn, nÕu da b¹n ® îc phñ n íc v n íc ®ã ® îc tù do bay h¬i, th× mét phÇn n¨ng l îng do c¬ thÓ b¹n sinh ra ® îc dïng l m bay h¬i n íc chø kh«ng l m t¨ng nhiÖt ®é c¬ thÓ b¹n. N¨ng l îng cÇn ®Ó bay h¬i n íc hay tan b¨ng ® îc gäi l Èn, bëi v× nã kh«ng bÞ biÕn mÊt. Nã ® îc gi÷, “Èn” trong khÝ quyÓn ®Ó gi¶i phãng sau n y khi qu¸ tr×nh ng îc l¹i x¶y ra - ng ng tô h¬i n íc th nh nh÷ng giät m©y hay s ¬ng láng. KÕt côc, sù bay h¬i n íc l m cho n¨ng l îng hiÖn diÖn tiÒm t ng ë trong khÝ quyÓn chø kh«ng ph¶i l l m nãng bÒ mÆt. VËy nã t¸c ®éng nh mét c¬ chÕ vËn chuyÓn n¨ng http://www.ebook.edu.vn 101
l îng, lÊy nhiÖt tõ bÒ mÆt cho khÝ quyÓn. VÒ trung b×nh to n cÇu, tæng l îng n¨ng l îng truyÒn tíi khÝ quyÓn l nhiÖt Èn b»ng 21 ®¬n vÞ, nã l m cho nhiÖt Èn víi t c¸ch l mét ph ¬ng thøc truyÒn nhiÖt trë nªn quan träng h¬n nhiÒu so víi nhiÖt hiÖn (8 ®¬n vÞ). Cã lÏ ®iÒu n y kh«ng cã g× bÊt ngê, nÕu biÕt r»ng h nh tinh chñ yÕu bao phñ bëi ®¹i d ¬ng. Nh÷ng gi¸ trÞ trung b×nh n¨m cña c¸c hîp phÇn bøc x¹ thuÇn, nhiÖt Èn v hiÖn ® îc biÓu diÔn trªn h×nh 3.14. H×nh 3.14. C¶ bÒ mÆt v khÝ quyÓn l m mÊt nhiÒu n¨ng l îng nh ®· thu. BÒ mÆt cã d l îng 29 ®¬n vÞ bøc x¹ thuÇn, l îng n y ® îc bï trõ b»ng vËn chuyÓn nhiÖt hiÖn v Èn tíi khÝ quyÓn. KhÝ quyÓn bï trõ 29 ®¬n vÞ th©m hôt bøc x¹ cña nã b»ng c¸ch nhËn nhiÖt hiÖn v Èn tõ bÒ mÆt Bøc x¹ thuÇn v nhiÖt ®é C©n b»ng nhiÖt gi÷a bøc x¹ ®Õn v ®i kh«ng chØ l ngÉu nhiªn; c¸c ®Þnh luËt vËt lý chØ ra r»ng nã ph¶i nh vËy. §Ó hiÓu v× sao, chóng ta xem ®iÒu g× sÏ x¶y ra nÕu nh MÆt Trêi bçng d ng t¨ng ®Çu ra bøc x¹ cña nã v l m t¨ng nhiÖt ®é cña Tr¸i §Êt. V× c¸c vËt nãng ph¸t x¹ nhiÒu n¨ng l îng h¬n c¸c vËt l¹nh, h nh tinh sÏ thÝch øng b»ng c¸ch ph¸t n¨ng l îng sãng d i nhiÒu h¬n v o vò trô. Khi n o n¨ng l îng tíi tõ MÆt Trêi cßn v ît tréi n¨ng l îng do Tr¸i §Êt ph¸t x¹, nhiÖt ®é to n cÇu cßn tiÕp tôc t¨ng, v ph¸t x¹ v o vò trô sÏ t¨ng theo. Víi thêi gian, nhiÖt ®é h nh tinh sÏ t¨ng tíi ®iÓm m t¹i ®ã n¨ng l îng ®i ra b»ng n¨ng l îng ®i ®Õn, v mét nhiÖt ®é c©n b»ng míi sÏ ® îc thiÕt lËp. TÊt c¶ nh÷ng gi¸ trÞ cô thÓ ë h×nh 3.14 sÏ thay ®æi, nh ng tæng c¸c ®Çu v o v ®Çu ra to n cÇu sÏ vÉn b»ng kh«ng. Cø nh vËy, chóng ta b n luËn vÒ ®Çu ra v ®Çu v o trung b×nh n¨m cña bøc x¹ trªn to n cÇu. Nh ng nh÷ng ® îc v mÊt vÒ n¨ng l îng bøc x¹ cßn chÞu tr¸ch nhiÖm vÒ nh÷ng biÕn thiªn nhiÖt ®é m chóng ta quan s¸t ® îc trong qu¸ tr×nh mét ng y. H·y xem ®iÒu g× x¶y ra trong mét chu kú 24 giê v o mét ng y kh«ng m©y. Lóc b×nh minh, MÆt Trêi xuÊt hiÖn ngay trªn ® êng ch©n trêi. V× ®é cao MÆt Trêi bÐ, bøc x¹ tíi ®¹t ®Õn bÒ mÆt yÕu do ®é lan táa chïm tia v qu·ng ® êng d i m c¸c tia ph¶i ®i xuyªn qua khÝ quyÓn (®· xÐt ë ch ¬ng 2). Ban tr a, MÆt Trêi ®¹t tíi ®é cao lín nhÊt cña m×nh bªn trªn ® êng ch©n trêi v bÒ mÆt nhËn ® îc ®Çu v o bøc x¹ MÆt Trêi lín nhÊt cña nã. Tõ tr a ®Õn ho ng h«n, ®é cao MÆt Trêi gi¶m v bøc x¹ nhËn gi¶m. Nh ng kinh nghiÖm cho chóng ta biÕt r»ng thêi gian nãng nhÊt cña mét ng y th êng kh«ng xuÊt hiÖn v o lóc tr a; m ®«i khi v o ®Çu buæi chiÒu, http://www.ebook.edu.vn 102
th êng gi÷a 2 v 4 giê chiÒu. §Ó gi¶i thÝch ®é trÔ gi÷a bøc x¹ tíi cùc ®¹i v nhiÖt ®é, chóng ta ph¶i xem xÐt nh÷ng c¬ chÕ truyÒn n¨ng l îng kh¸c: bøc x¹ sãng d i, ®èi l u v truyÒn dÉn v o nÒn ®Êt. NhiÖt ®é bÒ mÆt t¨ng lªn chõng n o n¨ng l îng do bÒ mÆt nhËn lín h¬n n¨ng l îng nã bÞ mÊt. MÆc dï bøc x¹ MÆt Trêi b¾t ®Çu gi¶m sau tr a, c¸n c©n n¨ng l îng bÒ mÆt tiÕp tôc d cho tíi cuèi ng y, t¹i ®iÓm ®ã nhiÖt ®é b¾t ®Çu h¹. ChÝnh x¸c khi n o ®iÒu n y xuÊt hiÖn tïy thuéc v o nh÷ng ®iÒu kiÖn ®Þa ph ¬ng, gåm biªn ®é cña ® êng cong nhiÖt l îng MÆt Trêi, tèc ®é giã, ®é Èm bÒ mÆt v tr÷ l îng nhiÖt v ®é dÉn nhiÖt cña ®Êt... Mét bøc tranh t ¬ng tù x¶y ra víi tr êng hîp n¨m. B¾c b¸n cÇu cã l îng bøc x¹ MÆt Trêi lín nhÊt, nh ng kh«ng ph¶i l nh÷ng nhiÖt ®é cao nhÊt cña nã v o kú h¹ chÝ. Tõ kho¶ng 4 ®Õn 6 tuÇn sau h¹ chÝ, l îng bøc x¹ tíi tiÕp tôc v ît tréi l îng mÊt bøc x¹ sãng d i v o vò trô. Gi¸ trÞ bøc x¹ thuÇn d ¬ng cuèi cïng dÉn tíi mét sù Êm lªn liªn tôc cña b¸n cÇu n y cho tíi mét thêi gian n o ®ã trong th¸ng 7 hoÆc th¸ng 8, khi ®¹t ® îc nh÷ng nhiÖt ®é cùc ®¹i. BiÕn thiªn theo vÜ ®é Sù c©n b»ng tæng céng gi÷a bøc x¹ ®Õn v ®i ®· th¶o luËn ë c¸c môc tr íc ¸p dông cho h nh tinh nh mét tæng thÓ chø kh«ng ph¶i cho mét n¬i cô thÓ. H×nh 3.15 cho thÊy r»ng sù c©n b»ng gi÷a bøc x¹ ®Õn v ®i biÕn ®æi theo vÜ ®é. XÐt vÒ trung b×nh n¨m, hÖ thèng bÒ mÆt Tr¸i §Êt - khÝ quyÓn nhËn nhiÒu bøc x¹ h¬n bÞ mÊt ë gi÷a kho¶ng c¸c vÜ ®é 38o b¾c v nam, v nã bÞ mÊt nhiÒu h¬n nhËn tõ hai vÜ tuyÕn ®ã tíi c¸c ®Þa cùc. Ranh giíi gi÷a c¸c vïng nhËn d v th©m hôt n¨ng l îng bøc x¹ di dÞch theo mïa. Trong thêi gian mïa hÌ B¾c b¸n cÇu, phÇn lín khu vùc phÝa b¾c tõ 15oS nhËn nhiÒu n¨ng l îng bøc x¹ h¬n bÞ mÊt. Trong thêi gian mïa ®«ng B¾c b¸n cÇu, phÇn lín c¸c vïng phÝa nam tõ kho¶ng 15oN lÊy bøc x¹ vÒ nhiÒu h¬n l ph¸t ®i. NÕu nh kh«ng cã c¸c qu¸ tr×nh kh¸c tham gia, th× d l îng bøc x¹ thuÇn gi÷a o 38 b¾c v nam v th©m hôt ë bªn ngo i ®íi n y sÏ l m cho c¸c vïng nhiÖt ®íi v cËn nhiÖt ®íi liªn tôc bÞ nung nãng v c¸c vïng ngo¹i nhiÖt ®íi liªn tôc bÞ l¹nh ®i. Tuy nhiªn, ®iÒu ®ã kh«ng x¶y ra, bëi v× d l îng n¨ng l îng t¹i c¸c vÜ ®é thÊp ® îc bï trõ nhê sù di chuyÓn nhiÖt theo ph ¬ng ngang, hay b×nh l u nhiÖt, vÒ phÝa cùc. Sù vËn chuyÓn n y ® îc thùc hiÖn thø nhÊt bëi nh÷ng hÖ thèng giã to n cÇu (75 %) v thø hai bëi c¸c dßng ch¶y ®¹i d ¬ng (25 %), nh ®· minh häa trªn h×nh 3.16. C¸c hÖ thèng giã ® îc h×nh th nh v× nh÷ng l îng n¨ng l îng kh«ng b»ng nhau ë nh÷ng n¬i kh¸c nhau g©y nªn nh÷ng chªnh lÖch ¸p suÊt. Nh chóng ta sÏ xÐt ë ch ¬ng 4, kh«ng khÝ cã xu h íng di chuyÓn tõ nh÷ng vïng ¸p suÊt cao tíi nh÷ng vïng ¸p suÊt thÊp h¬n v sù chuyÓn ®éng cña kh«ng khÝ ® îc thÓ hiÖn th nh giã theo ph ¬ng ngang. Ngo i ra, giã thæi trªn c¸c ®¹i d ¬ng t¸c ®éng l«i kÐo tíi líp n íc bÒ mÆt v khëi ®éng c¸c dßng ch¶y ch¶y gÇn nh cïng h íng víi kh«ng khÝ bªn trªn. Khi giã v c¸c dßng ch¶y ho¹t ®éng, chóng mang theo m×nh nhiÖt l îng néi t¹i ®Ó nhiÖt ® îc ph©n bè l¹i trªn to n cÇu. http://www.ebook.edu.vn 103
H×nh 3.15. C¸c gi¸ trÞ bøc x¹ thuÇn trung b×nh n¨m cña khÝ quyÓn v bÒ mÆt kÕt hîp. T¹i c¸c vÜ ®é lín h¬n kho¶ng 38o b¾c v nam cã nhËn d n¨ng l îng bøc x¹. Tõ c¸c vÜ ®é ®ã tíi c¸c cùc, khÝ quyÓn v bÒ mÆt mÊt nhiÒu n¨ng l îng bøc x¹ h¬n nhËn H×nh 3.16. Ho n l u cña c¸c dßng ch¶y ®¹i d ¬ng. Nh÷ng dßng di chuyÓn n íc nãng ® îc vÏ b»ng c¸c mòi tªn ®á, di chuyÓn n íc l¹nh - c¸c mòi tªn xanh HiÖu øng nh kÝnh Nh÷ng qu¸ tr×nh t ¬ng t¸c l m nãng khÝ quyÓn th êng ® îc gép l¹i v gäi l hiÖu øng nh kÝnh, tuy nÐt t ¬ng tù víi mét nh kÝnh kh«ng ph¶i ®óng ho n to n. C¸c nh kÝnh, nh mét nh kÝnh biÓu diÔn ë h×nh 3.17, ® îc l m chñ yÕu tõ http://www.ebook.edu.vn 104