Bài giảng Thời tiết khí hậu: Chương 2- Bức xạ mặt trời và các mùa

51 Ch€ơng 2 Bức xạ Mặt Trời vˆ Các mùa Trong các ngy 5-9 tháng Giêng năm 1998, c‡ dân của một bộ phận rộng lớn ở miền đông n‡ớc Mỹ v Canađa đã gặp một sự kiện m‡a ảnh h‡ởng rất lớn tới đời sống của họ. Không giống phần lớn những trận m‡a khác, những hạt m‡a rơi xuống bị đông cứng ngay khi chạm tới bề mặt để tạo thnh một lớp băng phẳng, trắng phủ dy liên tục. Băng trở nên dy tới mức lm cho cnh cây bị gẫy, tuyến dây điện bị đứt sập v đ‡ờng xá không thể đi lại đ‡ợc. M‡a đóng băng trải ra rất rộng v hủy hoại khắp nơi, lm cho hng triệu dân ở New England, bang New York v tỉnh Quebek của Canađa mất điện - trong hơn hai tuần ở một số nơi. Chỉ riêng ở Quebek, 3 triệu ng‡ời - 40 % dân c‡ - bị mất điện v ‡ớc tính thiệt hại khoảng 1 tỉ đô la. Một trong những ng‡ời trong cuộc, ông Andre Champagne ở Montreal, mô tả cảnh đó nh‡ sau: “Trời thật tối tăm, cứ nh‡ tôi đang ở trên sao Hỏa vậy”. Bão kéo theo rất nhiều hậu quả - tất cả đều l những hậu quả xấu. ở miền đông nam v các bang thuộc Trung Đại Tây D‡ơng, m‡a gây nên lũ lụt rất lớn, một phần l do dòng chảy m‡a trực tiếp đổ vo các sông. N‡ớc m‡a thấm vo trong các bồn tuyết nhanh chóng bị đông cứng cng lm căng thẳng thêm vấn đề lũ lụt. Bốn bang phải kêu gọi trợ giúp của Cục Bảo vệ Quốc gia. Џn gia súc bất hạnh cũng bị liên đới, bởi vì mất điện lm cho nông dân không thể cấp n‡ớc uống cho đn bò của mình v ngnh nông nghiệp thiệt hại hơn 1 triệu đô la. Hơn 30 ng‡ời ở Mỹ v Canađa bị chết vì trận bão. Bão lạnh mùa đông của tháng Giêng năm 1998 l một sự trái ng‡ợc rõ rệt so với đợt bùng phát thời tiết cực đoan diễn ra ở miền bắc n‡ớc Mỹ v miền nam Canađa vo các ngy 30-31 tháng 5, khi gió lốc, m‡a đá v sét giết hại ít nhất 17 ng‡ời. Những trận bão nh‡ vậy, mặc dù có thể xảy ra bất kỳ thời gian no trong năm, nh‡ng th‡ờng phổ biến nhất vo mùa xuân. Rồi sau đó l đợt sóng nhiệt mùa hè của tháng 6 năm 1999, nó reo rắc sự thống khổ từ miền đông Canađa cho tới các vùng đồng bằng phía nam v phần đông nam của n‡ớc Mỹ. Hơn 250 ng‡ời thiệt mạng ở khắp n‡ớc Mỹ trong thời kỳ hai tuần. Nh‡ các thí dụ ny cho thấy, nhiều loại thời tiết cực đoan có thể reo rắc tn phá, song mỗi loại có vẻ nh‡ xuất hiện nhiều hơn vo một thời gian cụ thể no đó của năm. Thậm chí ch‡a có thời tiết cực đoan thì đời sống của chúng ta đã đang bị ảnh h‡ởng nhiều bởi chu trình mùa xảy ra mỗi năm. Mặc dù những thay đổi các mùa quan trọng đối với hoạt động hng ngy, nhiều ng‡ời trong chúng ta ch‡a thật sự hiểu cái gì gây nên các mùa. Trong nhiều tr‡ờng hợp, chúng ta nghĩ sai lầm rằng chúng ta biết nguyên nhân. Thí dụ, nhiều ng‡ời tin rằng những thay đổi về khoảng cách giữa Trái Đất v Mặt Trời chịu trách nhiệm về những thay đổi của các mùa, rằng mùa hè diễn ra khi Trái Đất v Mặt Trời ở gần nhau nhất. Nh‡ng Trái Đất v Mặt Trời ở gần nhau nhất vo khoảng ngy 3 tháng Giêng - vo giữa mùa đông ở Bắc bán cầu! Cũng nh‡ vậy, Mặt Trời ở xa Trái Đất nhất vo ngy 3 tháng 7, thời gian m c‡ dân Bắc bán cầu không liên quan với mùa đông, m với những ngy di v nóng lực, với cuộc dã ngoại với thịt n‡ớng ngoi trời v pháo hoa. Vậy ở đây rõ rng l phải có một cách giải thích khác. Trong ch‡ơng ny, chúng tôi sẽ mô tả chính xác quỹ đạo Trái Đất quanh Mặt Trời tạo ra các mùa của chúng ta ra sao. Chúng tôi bắt đầu bằng một số điều cơ bản. Năng l~ợng Năng l€ợng theo truyền thống đ‡ợc định nghĩa l “khả năng thực hiện công”. Định nghĩa ny không hon ton chính xác v nó lại lm nảy sinh những câu hỏi (Công l gì?), song không thể lm gì khá hơn trong vi lời đ‡ợc. Thay vì lang thang quá xa đi tìm một định nghĩa chính xác, chúng ta sẽ thừa nhận mọi ng‡ời đều ít nhất có một ý niệm mang máng về năng l‡ợng nh‡ một tác nhân có khả năng lm cho một vật chuyển động, lm nóng một chiếc ấm đun n‡ớc, hay nói cách khác, biểu hiện chính mình trong các sự kiện hng ngy. Đơn vị chuẩn của năng l‡ợng trong Hệ Quốc tế (SI) dùng trong các ứng dụng khoa học l jun (ký hiệu bằng J). Mặc dù các sinh viên có thể quen hơn với calo nh‡ l đơn vị của năng l‡ợng, nh‡ng trong ngữ cảnh ny thì jun hay hơn (1 J = 0,239 calo). Một thuật ngữ liên quan, công, l tốc độ m năng l‡ợng đ‡ợc giải phóng, truyền đi, hay đ‡ợc nhận. Đơn vị của công l wat (W), nó t‡ơng ứng với 1 J trong 1 giây. Thậm chí một hoạt động đơn giản nhất đòi hỏi sự truyền năng l‡ợng. Thật vậy, trong khi bạn đang đọc những từ ny, thì sự truyền năng l‡ợng đang diễn ra khi năng l‡ợng hóa học từ thức ăn m bạn đã ăn, đ‡ợc chuyển hóa thnh động năng (năng l‡ợng của chuyển động) cần thiết để di chuyển mắt bạn qua những dòng chữ. Nh‡ng cơ thể bạn, giống nh‡ một chiếc máy bất kỳ khác, không hon ton hon hảo, nó lm mất một số năng l‡ợng nhiệt (nhiệt l‡ợng) khi năng l‡ợng hóa học đ‡ợc chuyển hóa thnh động năng. Vậy các cơ của mắt bạn lm mất nhiệt khi chúng co v giãn. Khái niệm ny đ‡ợc áp dụng vo khí quyển của chúng ta. Khoảng 2 phần tỉ của năng l‡ợng do Mặt Trời phát ra đ‡ợc truyền cho Trái Đất nh‡ l bức xạ điện từ, một phần trong số đó đ‡ợc hấp thụ trực tiếp bởi khí quyển v bề mặt. Bức xạ đó cung cấp năng l‡ợng cho chuyển động của khí quyển, sự lớn lên của thực vật, bay hơi n‡ớc v vô số những hoạt động khác. Các loại năng l~ợng Năng l‡ợng có thể biểu hiện trong rất nhiều dạng. Chúng ta hay nói về năng l‡ợng bức xạ, năng l‡ợng điện, năng l‡ợng hạt nhân v năng l‡ợng hóa học; nh‡ng một cách chính xác, tất cả các dạng của năng l‡ợng thuộc về các phạm trù chung động năng v thế năng. Điều ny đ‡ợc minh họa trên hình 2.1. 53 Động năng có thể xem nh‡ năng l‡ợng đ‡ợc sử dụng v th‡ờng đ‡ợc mô tả nh‡ l năng l‡ợng của chuyển động. Chuyển động có thể tồn tại ở quy mô lớn nh‡ trong chuyển động của vật từ nơi ny đến nơi khác. Những thí dụ xảy ra trong tự nhiên bao gồm các hạt m‡a rơi (hình 2.2a), n‡ớc chảy qua một con kênh v các hạt bụi mang đi trong gió. Chuyển động của động năng cũng có thể diễn ra ở một quy mô nhỏ nh‡ trong tr‡ờng hợp rung động hoặc xoay của phân tử (đ‡ợc minh họa trên hình 2.2b). Một vật rắn có thể t‡ởng nh‡ đứng yên, nh‡ng các phân tử của nó đang thực hiện một số rung động. Hình 2.1. Năng l~ợng có một số dạng khác nhau, song mỗi dạng lại thuộc v†o loại động năng (năng l~ợng của chuyển động) hoặc thế năng Ng‡ợc lại, các phân tử chất khí v chất lỏng không cố định trong không gian, m di chuyển qua lại một cách ngẫu nhiên (hình 2.3). Trong các chất rắn, chất lỏng hoặc chất khí, tốc độ rung động hoặc chuyển động ngẫu nhiên quyết định nhiệt độ của vật. Nếu động năng l năng l‡ợng đ‡ợc sử dụng, thì thế năng l năng l‡ợng còn ch‡a đ‡ợc sử dụng. Thế năng có thể có nhiều dạng. Thí dụ, cacbohyđrat của một thực vật có thế năng có thể đ‡ợc tiêu thụ bởi các động vật (hoặc bởi chính thực vật) v sau đó đ‡ợc đồng hóa để thu năng l‡ợng cần thiết cho tất cả hoạt động sinh học của nó. Khi cơ thể chúng ta đồng hóa thức ăn l chúng ta đang sử dụng thế năng đó, chuyển hóa nó thnh động năng v giải phóng nhiệt l‡ợng nh‡ một phụ phẩm. Hình 2.2. Động năng có thể xuất hiện khi chuyển động liên quan với các vật chuyển động, nh~ hạt m~a rơi trong (a) hoặc sự rung v† xoay của phân tử n~ớc (b). Tốc độ rung hoặc xoay c†ng lớn thì nhiệt độ của vật c†ng cao Hình 2.3. Các phân tử khí không gắn bó với nhau nh~ các phân tử chất rắn v† lỏng v† di chuyển một cách ngẫu nhiên Một dạng khác của thế năng sinh ra từ vị trí của vật. Thí dụ, xét một hạt mây đang chiếm một vị trí no đó bên trên bề mặt Trái Đất. Giống nh‡ tất cả các vật khác, hạt mây chịu tác động của trọng lực. Khi rơi xuống phía mặt đất, thế năng của nó đ‡ợc chuyển thnh động năng. Rõ rng, mực của hạt m‡a cng cao, khoảng cách có thể rơi cng lớn v thế năng của nó cng lớn. Điều rất quan trọng l phải thấy rằng hạt m‡a không đi lên đ‡ợc độ cao của nó bằng sức mạnh siêu nhiên, bởi vì một năng l‡ợng đã đ‡ợc sử dụng để nâng khối l‡ợng của nó lên vị trí ban đầu. Những cơ chế truyền năng l~ợng Truyền dẫn. Năng l‡ợng có thể đ‡ợc truyền từ một nơi đến nơi khác bằng ba quá trình: truyền dẫn, đối l‡u v phát xạ. Truyền dẫn l sự di chuyển nhiệt l‡ợng qua một vật không có sự di chuyển của các phân tử trong h‡ớng truyền nhiệt. Một thí dụ đơn giản nhất l thanh kim loại với một đầu đ‡ợc đặt bên trên lò lửa. Phần 55 thanh kim loại bên trên ngọn lửa đ‡ợc nung nóng v các phân tử ở đó nhận năng l‡ợng. Một phần năng l‡ợng đó truyền cho các phân tử láng giềng, những phân tử ny về phần mình lại truyền nhiệt l‡ợng cho các phân tử bên cạnh. (Cơ chế chính xác của “truyền“ phân tử tùy thuộc vo chất - trong các kim loại nó chủ yếu đ‡ợc thực hiện bởi các điện tử.) Quá trình ny diễn ra ở khắp chiều di của thanh, cho nên sau một thời gian ngắn ton bộ thanh kim loại trở nên rất nóng. Sự truyền nhiệt từ phần nóng hơn tới phần lạnh hơn của thanh l truyền dẫn. L‡u ý rằng mặc dù nhiệt đi qua thanh kim loại, nh‡ng các phân tử của thanh kim loại không di chuyển. Sự truyền dẫn hiệu quả nhất trong các vật liệu rắn, nh‡ng nh‡ sẽ thấy ở ch‡ơng 3, nó cũng l một quá trình quan trọng trong một lớp không khí rất mỏng gần bề mặt Trái Đất. Đối l€u. Truyền nhiệt bằng sự xáo trộn của chất lỏng gọi l đối l€u. Khác với truyền dẫn, đối l‡u đ‡ợc thực hiện bởi sự di dời (chuyển động) của môi tr‡ờng. Bạn có thể quan sát quá trình ny bằng cách nhìn một bình n‡ớc sôi trên bếp lò. N‡ớc ở đáy bình nằm gần nguồn năng l‡ợng nhất nên bị nóng lên nhanh nhất. Khi nóng lên n‡ớc nở ra, trở nên kém đậm đặc hơn v nổi lên bề mặt. N‡ớc nổi lên dĩ nhiên phải đ‡ợc thay thế bởi n‡ớc từ phía trên, cho nên n‡ớc ban đầu ở bề mặt chìm xuống đáy bình. Những chuyển động nổi lên v chìm xuống ny gây nên sự di chuyển nhanh không chỉ của khối l‡ợng m cả năng l‡ợng nhiệt chứa trong n‡ớc chu chuyển. Đối l‡u trong khí quyển không khác nhiều với đối l‡u ở trong một bình n‡ớc sôi. Trong thời gian ban ngy, sự nung nóng của bề mặt Trái Đất lm nóng một lớp không khí rất mỏng (độ dy cỡ 1 mm) tiếp xúc với bề mặt. Bên trên lớp phân tầng mỏng ny, không khí bị lm nóng từ phía d‡ới nở ra v nổi lên phía trên nhờ độ nổi vốn có của không khí nóng (xu thế của một vật lỏng nhẹ (chất lỏng hay chất khí) nổi lên trên khi bị bao quanh bởi một chất lỏng nặng hơn). Khác với n‡ớc trong một chiếc bình, khí quyển có thể thực hiện đối l‡u ngay cả khi không có độ nổi thông qua một quá trình đ‡ợc gọi l đối lou coỡng bức, sự xáo trộn thẳng đứng diễn ra khi gió thổi. Những quá trình ny đ‡ợc thảo luận chi tiết hơn ở ch‡ơng 3. Bức xạ. Trong số ba cơ chế truyền năng l‡ợng thì bức xạ l một cơ chế duy nhất có thể phát triển không cần một môi tr‡ờng truyền. Nói cách khác, không giống với truyền dẫn v đối l‡u, truyền năng l‡ợng bằng bức xạ có thể xảy ra qua không gian rỗng. Thực tế tất cả năng l‡ợng có trên Trái Đất bắt nguồn từ ngôi sao lân cận (theo ngôn từ thiên văn học) m chúng ta gọi l Mặt Trời, một thnh viên của Ngân H (hình 2.4). Khí quyển còn có những nguồn năng l‡ợng khác: những l‡ợng bức xạ nhỏ bé nhận đ‡ợc từ hng tỉ ngôi sao khác trong vũ trụ v một ít năng l‡ợng đạt tới bề mặt từ trong lòng Trái Đất. Tuy nhiên, sự đóng góp của những nguồn đó vô cùng nhỏ bé so với năng l‡ợng nhận đ‡ợc từ Mặt Trời. Bây giờ chúng ta xem xét các đặc điểm của bức xạ v cái cách m sự định h‡ớng của Trái Đất ảnh h‡ởng tới bức xạ nhận đ‡ợc. Những biến thiên theo không gian v theo mùa trong quá trình thu nhận năng l‡ợng Mặt Trời không chỉ l những gì trừu t‡ợng đơn thuần, m l lực điều khiển của thực tế tất cả các quá trình đ‡ợc xét ở phần còn lại của cuốn sách ny. Bức xạ Bức xạ đ‡ợc phát ra bởi tất cả các vật. Vậy mọi thứ - kể cả các vì sao, Trái Đất, bản thân chúng ta v cuốn sách ny - đang không ngừng phát ra năng l‡ợng điện từ. Tất cả chúng ta đều quen thuộc với năng l‡ợng điện từ d‡ới nhiều hình thức của nó. Chúng ta nhìn thấy môi tr‡ờng xung quanh nhờ một kiểu bức xạ nhất định m chúng ta gọi l những va chạm ánh sáng nhìn thấy lên mắt mình, sau đó nó gửi các tín hiệu tới thần kinh để tạo ra các ảnh thấy đ‡ợc. Một kiểu năng l‡ợng điện từ khác đ‡ợc dùng khi chúng ta lm nóng bữa ăn trong một lò vi sóng; bức xạ kích thích rung các phân tử của thức ăn v do đó lm tăng nhiệt độ của nó. Những kiểu bức xạ khác có thể ít ích lợi hơn hay thậm chí có hại, nh‡ bức xạ cực tím, nó có thể dẫn tới bỏng da, các loại bệnh v thậm chí cái chết. Mặc dù các kiểu bức xạ khác nhau có những tác động khác nhau, tất cả rất giống nhau ở chỗ chúng đ‡ợc truyền đi nh‡ một loạt các sóng. Hình 2.4. Hệ Mặt Trời l† một bộ phận của Ngân H†, một thiên h† điển hình chứa hơn 100 tỉ ngôi sao. (a) Bức vẽ nghệ thuật. (b) ảnh hồng ngoại góc rộng về dải Ngân H† Hãy so sánh với sóng do một hòn đá ném vo bể n‡ớc tạo ra. Sóng đ‡ợc thể hiện bằng một dao động ở bề mặt n‡ớc với những đỉnh (các điểm cao trên mặt dậy sóng) v chân (các điểm thấp). Khi bạn quan sát sự nâng lên v hạ xuống đều đặn của bề mặt lúc sóng đi qua, bạn biết năng l‡ợng đang đ‡ợc truyền đi. Trong tr‡ờng hợp với bức xạ, các sóng l những dao động điện v từ. Có nghĩa bức xạ bao gồm một sóng điện v một sóng từ. Bằng những thiết bị phù hợp, chúng ta có thể phát hiện những biến thiên điện v từ ấy - từ đó m có thuật ngữ bức xạ điện từ. Khi một vật phát ra bức xạ, cả điện tr‡ờng v từ tr‡ờng đ‡ợc phát ra ngoi. Tại một điểm cố định trong không gian, c‡ờng độ của cả hai tr‡ờng tăng v giảm một cách nhịp nhng, do đó tạo thnh các sóng điện v từ, mỗi sóng có hình dạng đỉnh tới chân của riêng mình. Các sóng điện v từ vuông góc với nhau, nh‡ biểu diễn trên 57 hình 2.5. Điều quan trọng hơn l các hợp phần điện v từ luôn sóng đôi với nhau - cả hai tăng v giảm một cách hòa hợp. L~ợng v† chất của bức xạ Để mô tả bức xạ điện từ một cách đầy đủ, chúng tôi cần cung cấp một số thông tin về l‡ợng năng l‡ợng truyền đi (số l‡ợng) v kiểu, hay chất l‡ợng của năng l‡ợng. Điều ny t‡ơng tự nh‡ khi mô tả trọng l‡ợng của ai đó, chúng ta có thể nói ra số l‡ợng thnh cân v chỉ ra chất l‡ợng nếu dùng các từ nh‡ “rất nhẽo”. Trong tr‡ờng hợp bức xạ, l‡ợng liên quan với độ cao của sóng, hay biên độ của nó. Nếu mọi thứ khác nh‡ nhau, l‡ợng năng l‡ợng mang đi trực tiếp tỷ lệ với biên độ sóng. Hình 2.5. Bức xạ điện từ gồm một sóng điện (E) v† một sóng từ (M). Khi bức xạ truyền đi, các sóng di chuyển trong h~ớng biểu diễn bằng mũi tên d†i (gạch nối). Các sóng ở (a) v† (b) có cùng biên độ nên c~ờng độ bức xạ nh~ nhau. Tuy nhiên, (a) có b~ớc sóng ngắn hơn, nên nó khác về chất so với (b). Tùy thuộc v†o các b~ớc sóng chính xác đ~ợc xét, bức xạ ở (a) có thể đi qua khí quyển, trong khi ở (b) có thể bị hấp thụ L‡ợng hay “kiểu” của bức xạ liên quan tới một tính chất khác của sóng - khoảng cách giữa các đỉnh sóng. Hình 2.5 biểu diễn các sóng điện từ di chuyển trong cùng một h‡ớng. Tất cả có cùng một biên độ, nh‡ng khoảng cách giữa các đỉnh sóng riêng rẽ l nhỏ hơn đối với sóng đ‡ợc vẽ ở bên trên. Do đó, sóng bên trên có b€ớc sóng ngắn hơn, b‡ớc sóng l khoảng cách giữa hai điểm t‡ơng ứng bất kỳ (đỉnh đến đỉnh, chân đến chân, v.v..). Vì b‡ớc sóng của nó ngắn hơn, sóng ở hình 2.5a khác về chất v có thể tạo ra một số hiệu ứng so với sóng ở hình 2.5b. Thí dụ, bức xạ tia X có một b‡ớc sóng cực ngắn v nó có thể xuyên qua các mô tế bo mềm. Ng‡ợc lại, ánh sáng bình th‡ờng có một b‡ớc sóng di hơn, thì bị hấp thụ bởi da. So sánh với những vật thể th‡ờng ngy, thì bức xạ m chúng ta quan tâm ở đây có những b‡ớc sóng rất nhỏ. Vì vậy, để cho tiện lợi, ng‡ời ta xác định các b‡ớc sóng bằng những đơn vị đo rất nhỏ gọi lmicrômét (hoặc micrôn) 1 micrômét - ký hiệu l mȝ - bằng một phần triệu của 1 mét hay một phần nghìn của 1 mm. Tất cả các dạng của bức xạ điện từ, bất chấp b‡ớc sóng, di chuyển đi trong không gian với tốc độ của ánh sáng, bằng khoảng 300 000 km/s. Với tốc độ ny, cần 8 phút để năng l‡ợng từ Mặt Trời đạt tới Trái Đất. Năng l‡ợng nhận đ‡ợc từ những vì sao khác, xa cách hơn, cần thời gian lâu hơn để tới đ‡ợc Trái Đất. Thí dụ, bức xạ từ vì sao gần nhất tiếp theo, sao Proxima Centauri, phải du ngoạn trong không gian 4,3 năm tr‡ớc khi tới đ‡ợc với chúng ta. Mặc dù có vẻ nh‡ đó l một quãng thời gian di, song cũng chỉ l rất nhỏ bé so với những tỉ năm cần thiết để ánh sáng từ một ngôi sao xa đến đ‡ợc với Trái Đất. Năng l‡ợng điện từ có vô vn các b‡ớc sóng, nh‡ng chúng ta có thể lm đơn giản hóa vấn đề bằng cách phân loại các b‡ớc sóng thnh một số băng riêng rẽ nh‡ trên hình 2.6 v bảng 2.1. Băng với các b‡ớc sóng ngắn nhất gồm các tia Gama với b‡ớc sóng cực đại bằng 0,0001 mμ . Các băng b‡ớc sóng di hơn, liền sau bao gồm các tia X, tia cực tím (UV), ánh sáng nhìn thấy, ánh sáng cận hồng ngoại (NR), hồng ngoại nhiệt (IR), vi sóng v các sóng vô tuyến. L‡u ý rằng không có gì l độc đáo hay đặc biệt về phần nhìn thấy của phổ điện từ ny ngoi một thực tế l mắt v hệ thần kinh của chúng ta đã tiến hóa để có thể cảm nhận đ‡ợc loại năng l‡ợng ny. Ngoại trừ các b‡ớc sóng của mình, những tia nhìn thấy cũng giống nh‡ một dạng bất kỳ khác của năng l‡ợng điện từ. Hình 2.6. Năng l~ợng điện từ có thể phân loại theo b~ớc sóng C~ờng độ v† b~ớc sóng của bức xạ Tất cả các vật phát ra năng l‡ợng, không chỉ tại một b‡ớc sóng đơn m trên một khoảng rộng các b‡ớc sóng khác nhau. Hình 2.7a vẽ c‡ờng độ của bức xạ đ‡ợc phát ra tại tất cả các b‡ớc sóng trong mỗi giây bởi một mét vuông bề mặt của Mặt Trời (trên) v của Trái Đất (d‡ới). Chúng ta có thể dễ dng thấy rằng một đơn vị 59 diện tích trên Mặt Trời phát ra bức xạ lớn hơn nhiều (khoảng 160 000 lần) so với cùng diện tích ấy trên Trái Đất (chú ý rằng đ‡ờng cong biểu diễn phát xạ Trái Đất đã đ‡ợc phóng đại thực sự rất nhiều - nếu nh‡ vẽ với tỉ lệ thực, thì nó quá bé không nhìn thấy). Hình dáng của đ‡ờng cong biểu diễn c‡ờng độ của năng l‡ợng do Trái Đất phát ra tại những b‡ớc sóng khác nhau (hình 2.7b) t‡ơng tự nh‡ của Mặt Trời, nh‡ng tổng năng l‡ợng đ‡ợc giải phóng nhỏ hơn nhiều, còn đỉnh của đ‡ờng cong t‡ơng ứng với một b‡ớc sóng di hơn. Bảng 2.1. Các cấp b~ớc sóng Kiểu năng loợng Boớc sóng m)(μ Gama <0,0001 Tia X 0,0001 đến 0,01 Cực tím 0,01 đến 0,4 Nhìn thấy 0,4 đến 0,7 Cận hồng ngoại 0,7 đến 4,0 Hồng ngoại nhiệt 4,0 đến 100 Vi sóng 100 đến 1 000 000 (1 m) Vô tuyến >1 000 000 (1 m) Hình 2.7. Năng l~ợng phát ra của các chất có dải b~ớc sóng rộng. Do nhiệt độ cao hơn, phát xạ từ một đơn vị diện tích Mặt Trời (a) 160000 lần mạnh hơn phát xạ của cùng diện tích trên Trái Đất (b). Bức xạ của Mặt Trời cấu tạo từ các b~ớc sóng ngắn hơn của Trái Đất Dĩ nhiên, l‡ợng bức xạ phát ra v các b‡ớc sóng không phải l kết quả của sự ngẫu nhiên đơn thuần; các đặc tr‡ng đó tuân theo một số định luật vật lý cơ bản. Nói một cách chính xác, các định luật đó chỉ áp dụng cho những vật phát xạ lý t‡ởng, gọi l các vật đen. Các vật đen l những vật thuần túy giả thuyết - chúng không tồn tại tự nhiên - chúng phát bức xạ cực đại có thể tại từng b‡ớc sóng. Trái Đất v Mặt Trời gần giống các vật đen v do đó, gần tuân theo các định luật sắp đ‡ợc mô tả d‡ới đây. Những vật liệu khác có thể hoặc không thể l các vật đen xấp xỉ. Cụ thể, khí quyển, cấu tạo từ các khí, đặc biệt khác xa với một vật đen, nên chúng ta sẽ không xem nó nh‡ một vật đen. 2-1 Những nguyên lý vật lý: Ba thang nhiệt độ Tất cả chúng ta quen thuộc với các thang nhiệt độ Fahrenheit v Celsius (hay bách phân). Tuy rất có ích trong ứng dụng hng ngy, song cả hai thang ny có một nh‡ợc điểm nghiêm trọng - chúng cho phép các giá trị âm. Các đơn vị đo khác thì không nh‡ vậy. Thí dụ, những tòa nh không có độ cao v trọng l‡ợng âm, chiếc xe không chạy với tốc độ âm v trẻ em không có tuổi âm. Nh‡ng sự tồn tại các nhiệt độ âm gây ấn t‡ợng rằng các chất có thể có hm l‡ợng nhiệt âm - một tình huống không thể có về ph‡ơng diện vật lý. Để khắc phục vấn đề ny, các nh khoa học sử dụng một thang khác để đo nhiệt độ, gọi l thang Kelvin. Trong hệ thống ny, nhiệt độ 0 K l nhiệt độ thấp nhất có thể, nó có thể tồn tại trong vũ trụ (thậm chí ở Wisconsin!). (L‡u ý rằng chúng ta bỏ đi ký hiệu độ với thang ny v trực tiếp đọc số kelvin, *K). Một nhiệt độ 0 K hm ý rằng không không có chuyển động rung phân tử v do đó, không thể có các nhiệt độ d‡ới không tồn tại với thang ny. Fahrenheit vˆ Celsius Một thời gian, thang nhiệt độ đ‡ợc dùng trên ton thế giới l thang Fahrenheit. Їợc Gabriel Fahrenheit phát minh vo đầu những năm 1700, thang ny gán các trị số 32o v 212o cho điểm đóng băng v điểm sôi của n‡ớc. Có 180 độ Fahrenheit giữa sự đóng băng v sự sôi của n‡ớc. Mặc dù thang Fahrenheit đã bị bỏ ở Canađa v hầu khắp các n‡ớc khác trên thế giới, nh‡ng ở Mỹ nó vẫn l thang đ‡ợc dùng rộng rãi. Thang đo nhiệt độ quen thuộc khác l thang Celssius, gọi theo tên của ng‡ời sáng lập, Anders Celsius, vo năm 1742. Thang Celsius gán các trị số 0o v 100o cho điểm đóng băng v điểm sôi của n‡ớc, cho nên chỉ có 100 độ Celsius giữa hai điểm. Điều đó có nghĩa rằng một độ Celsius lớn hơn một độ Fahrenheit. Thí dụ, thay đổi 2 oC lớn hơn thay đổi 2 oF. Tuy nhiên, điều đó không có nghĩa nói một nhiệt độ biểu diễn bằng oC luôn cao hơn so với cùng nhiệt độ đó biểu diễn bằng oF; nó có thể cao hơn hoặc thấp hơn. Để chuyển đổi từ oC sang oF, chúng ta dùng công thức sau: )C(/F 3259 += oo . Để chuyển đổi từ oF sang oC, ta dùng )F(/C 3295 −= oo . Hình 1. Các thang nhiệt độ Kelvin, Celsius v Fahrenheit 61 Bạn có thể sử dụng những công thức ny để kiểm tra thấy CF oo 4040 −=− . Kelvin Thang Kelvin thực ra l cải biên của thang Celsius để cho các gia số của cả hai bằng nhau. Vậy nếu nhiệt độ tăng lên 1 oC, thì nó cũng tăng lên 1 K. Khác biệt duy nhất giữa hai thang l điểm bắt đầu; 0 K sẽ t‡ơng ứng với C, o16273− . Vì vậy, chuyển đổi từ oC sang K rất đơn giản: 16,273CK += o . Để chuyển đổi từ K sang oC, chúng ta dùng 16,273KC −=o . Hình 1 biểu diễn các thang Kelvin, Celsius v Fahrenheit. Định luật Stefan-Boltzmann. Nhân tố duy nhất quyết định một vật đen phát ra bao nhiêu năng l‡ợng l nhiệt độ của nó. Các vật nóng hơn phát ra nhiều năng l‡ợng hơn so với các vật lạnh hơn; do đó, không ngạc nhiên nếu một miếng sắt nóng phát nhiều năng l‡ợng hơn một cục băng. Tuy nhiên, điều rất thú vị l l‡ợng bức xạ do một vật phát ra không hẳn tỉ lệ với nhiệt độ của nó. Nói cách khác, nhiệt độ tăng gấp đôi thì tạo ra l‡ợng bức xạ phát tăng hơn hai lần. Cụ thể l c‡ờng độ năng l‡ợng do một vật đen phát tăng lên theo lũy thừa bậc bốn của nhiệt độ tuyệt đối của nó. Quan hệ ny gọi l định luật Stefan-Boltzmann đối với vật đen, đ‡ợc biểu diễn nh‡ sau: 4TI σ= , ở đây I chỉ c‡ờng độ bức xạ bằng W/m2, σ l hằng số Stefan-Boltzmann ( 810675 −⋅, W/(m2.K4)) v T l nhiệt độ của vật bằng K (xem chuyên mục 2-1: Những nguyên lý vật lý: Ba thang nhiệt độ). Vì c‡ờng độ bức xạ phụ thuộc vo nhiệt độ nâng lên lũy thừa bậc bốn, nên nhiệt độ tăng gấp đôi sẽ dẫn tới tăng 16 lần l‡ợng phát xạ. Nếu giải ph‡ơng trình Stefan-Boltzmann sử dụng nhiệt độ trung bình của bề mặt Trái Đất (khoảng 290 K, 15 oC hay 59 oF) thấy rằng một m2 phát xạ khoảng 401 W năng l‡ợng. Ng‡ợc lại, bề mặt Mặt Trời với nhiệt độ khoảng 6000 K (5700 oC hay 10300 oF) phát xạ khoảng 73 triệu W/m2. Tuy các vật đen thực sự không tồn tại tự nhiên, chúng cung cấp một mô hình hữu ích để hiểu l‡ợng bức xạ cực đại có thể đ‡ợc phát xạ. Phần lớn các chất lỏng v chất rắn có thể xem nh‡ các vật xám, nghĩa l chúng phát xạ bằng một số phần trăm của l‡ợng bức xạ cực đại có thể tại một nhiệt độ đang xét. Trong khi một số chất (thí dụ n‡ớc) có hiệu suất phát năng l‡ợng cao, thì một số khác (thí dụ nhôm) kém hiệu xuất hơn. Phần năng l‡ợng phát xạ bởi một chất so sánh với phát xạ của một vật đen đ‡ợc gọi l suất phát xạ của nó. Các suất phát xạ biến thiên từ lớn hơn 0 một chút tới gần bằng 100 % v đ‡ợc ký hiệu l ε . Bằng cách khái quát suất phát xạ của vật bất kỳ, chúng ta rút ra định luật Stefan-Boltzmann đầy đủ: 4TI σε= . Їa ra nhân tử suất phát xạ có nghĩa rằng năng l‡ợng điện từ do vật xám no đó phát ra sẽ bằng một phần của năng l‡ợng m vật đen phát. Chú ý rằng thậm chí nh‡ vậy dạng vật xám của định luật Stefan-Boltzmann cho thấy c‡ờng độ bức xạ l một hm của suất phát xạ v nhiệt độ, phần lớn các bề mặt tự nhiên có suất phát xạ lớn hơn 0,9. Do đó, trong phần lớn tr‡ờng hợp những khác biệt về phát xạ l do những khác biệt nhiệt độ quyết định. Khí quyển l một ngoại lệ đối với quy tắc ny, bởi vì sự phát xạ phụ thuộc vo một số nhân tố, nh‡ l‡ợng hơi n‡ớc trong không khí. Ngoi ra, đối với một chất khí, có sự biến thiên rất lớn về phát xạ theo b‡ớc sóng (xem chuyên mục 2-2: Những nguyên lý vật lý: Bản chất của bức xạ, hấp thụ vu phát xạ); do đó, s