Bài giảng Thời tiết khí hậu: Chương 3- Cân bằng năng lượng và nhiệt độ

85 Ch€ơng 3 Cân bằng năng l€ợng vˆ nhiệt độ Sáng sớm ngy 24/10/1998, xoáy thuận nhiệt đới Mitch vừa mạnh lên thnh một trận bão thực sự ở phía tây Đại Tây D‡ơng. Mặc dù các nh dự báo tin chắc xoáy thuận sẽ mạnh lên tiếp v di chuyển về phía tây, song không ai biết rằng trong ít ngy Mitch có thể trở thnh một trận bão tồi tệ nhất tấn công vùng Trung Mỹ kể từ năm 1780. Mức độ phá hủy tổng cộng của nó khó m đánh giá. Con số tổn thất sinh mạng chính xác từ bão Mitch sẽ không bao giờ đ‡ợc biết, song có lẽ đâu đó khoảng 9 000 v 18 000 ng‡ời. Gió giật cỡ hơn 320 km/h v l‡ợng m‡a hơn 50 cm đã lm trơ trụi nhiều lng mạc. Nơi chịu đựng tồi tệ nhất l Honduras, hơn 20 % dân c‡ đất n‡ớc ny bỗng d‡ng trở thnh vô gia c‡. Vùng núi của Nicaragoa bị thiệt hại đặc biệt nặng nề bởi những trận tr‡ợt đất phá hoại tn bạo. Một nông dân, tên l José Morales, kể lại trải nghiệm của mình với một trong những vụ tồi tệ nhất, vụ tr‡ợt đất Casitas ở tây bắc Nicaragoa: “Đó l một khối cầu đất v cây cối v lập tức tôi không còn có thể nhìn thấy nh cửa nữa” (xem hình 3.1). Hình 3.1. ảnh vệ tinh bão Mitch, trận bão t†n khốc nhất tr†n tới Trung Mỹ cuối thế kỷ 20 Nỗi thống khổ do bão Mitch vẫn tiếp tục. Các quốc gia bị hại của khu vực đã phải chống chọi với nguy cơ bệnh tả, sốt rét v bệnh sốt nhiệt đới - không kể nạn đói honh hnh do mùa mng bị phá hoại. ở Hoduras khoảng 70 % mùa mng bị phá hoại v một tỉ lệ t‡ơng tự cơ sở hạ tầng giao thông bị triệt phá. Một số chuyên gia cứu nạn đ㠇ớc tính rằng sẽ cần 15 đến 20 năm tr‡ớc khi những hậu quả của trận bão đ‡ợc khắc phục hon ton. Giống nh‡ những trận bão mạnh khác, Mitch trn tới một diện tích lớn hơn một phần t‡ triệu km2, kéo di gần một tuần, xả xuống hng triệu tấn n‡ớc m‡a v gió hung dữ cuốn phăng cả những lng mạc. Một hoạt động nh‡ thế đòi hỏi l‡ợng năng l‡ợng khổng lồ, v nh‡ chúng ta đã thấy ở ch‡ơng 2, bức xạ Mặt Trời cung cấp tất cả những năng l‡ợng đó. Nh‡ng câu chuyện ch‡a phải đã hết, bởi vì phần lớn năng l‡ợng chứa trong khí quyển không tích lũy bằng cách hấp thụ trực tiếp bức xạ Mặt Trời. Ng‡ợc lại, phần lớn năng l‡ợng có đ‡ợc một cách gián tiếp từ Mặt Trời sau khi đã bị hấp thụ tr‡ớc nhất bởi bề mặt Trái Đất. Từ đây, một số quá trình kết hợp với nhau để vận chuyển năng l‡ợng hấp thụ ny vo khí quyển. Trong ch‡ơng ny chúng ta xem xét sự vận chuyển năng l‡ợng đó, nó cung cấp nhiên liệu cho những hiện t‡ợng thời tiết hng ngy v những sự kiện tai họa nh‡ bão Mitch. ảnh h~ởng của khí quyển đối với bức xạ tới Bức xạ Mặt Trời đạt tới đỉnh của khí quyển không đi qua khí quyển một cách không bị cản trở, m ng‡ợc lại, bị suy yếu bởi rất nhiều quá trình. Khí quyển hấp thụ một phần bức xạ một cách trực tiếp v do đó thu đ‡ợc nhiệt. Một phần khác tiêu tán mất nh‡ những tia yếu hơn đi ra theo nhiều h‡ớng khác nhau thông qua một quá trình gọi l tán xạ. Một số bức xạ tán xạ h‡ớng trở lại không gian; phần còn lại bị tán xạ h‡ớng tới nh‡ l ánh sáng m chúng ta nhìn thấy từ phần bầu trời ở xa đĩa Mặt Trời. Trong mọi tr‡ờng hợp, phần năng l‡ợng tán xạ không bị hấp thụ bởi khí quyển v do đó không góp phần lm nóng nó. Bức xạ tới còn lại không bị hấp thụ v tán xạ v đi qua khí quyển không bị biến đổi, đạt tới bề mặt với t‡ cách l bức xạ trực tiếp. Nh‡ng không phải tất cả năng l‡ợng đạt tới bề mặt đ‡ợc hấp thụ. Ng‡ợc lại, một bộ phận bị tán xạ trở lại vo không gian v giống nh‡ bức xạ bị tán xạ bởi khí quyển, nó không góp phần lm nóng hnh tinh. Các quá trình ny - hấp thụ, tán xạ v vận chuyển bức xạ Mặt Trời - trực tiếp ảnh h‡ởng tới phân bố nhiệt độ trong ton khí quyển. Chúng cũng giải thích một số hiện t‡ợng khí quyển đáng quan tâm th‡ờng ngy nh‡ bầu trời xanh lam trong một ngy quang mây hay sắc đỏ của một buổi hong hôn. Trong mục ny, chúng ta khám phá những quá trình tác động tới bức xạ tới. Hấp thụ Các chất khí khí quyển, các hạt li ti v những giọt m‡a đều lm suy giảm c‡ờng độ của bức xạ tới bằng hấp thụ. Điều quan trọng phải l‡u ý l hấp thụ thể hiện sự truyền năng l‡ợng cho vật hấp thụ. Sự truyền ny có hai hệ quả: vật hấp 87 thụ nhận đ‡ợc năng l‡ợng v nóng lên, trong khi l‡ợng năng l‡ợng cung cấp cho bề mặt bị giảm. Các chất khí của khí quyển không phải đều hiệu quả nh‡ nhau trong hấp thụ ánh sáng Mặt Trời, v các b‡ớc sóng bức xạ khác nhau không bị hấp thụ nh‡ nhau. Thí dụ, bức xạ cực tím gần nh‡ bị hấp thụ hon ton bởi ôzôn trong bình l‡u quyển. Ng‡ợc lại, bức xạ nhìn thấy đi qua khí quyển chỉ với một l‡ợng hấp thụ cực tiểu. Điều ny có một hệ quả không phải nhỏ, bởi vì nếu nh‡ khí quyển có khả năng hấp thụ tất cả năng l‡ợng Mặt Trời đi đến, thì bầu trời sẽ tối hon ton. Các loại ánh sáng nhân tạo sẽ l vô ích, bởi vì bức xạ của chúng chắc chắn sẽ bị hấp thụ. Chính thực tế chúng ta có thể nhìn thấy những khoảng cách lớn mách bảo rằng khí quyển không phải l vật đặc biệt giỏi hấp thụ bức xạ nhìn thấy, một ấn t‡ợng rất đúng. Bức xạ cận hồng ngoại, nó thể hiện gần một nửa bức xạ do Mặt Trời phát ra, bị hấp thụ chủ yếu bởi hai chất khí trong khí quyển - hơi n‡ớc v (ở mức độ kém hơn) cacbon điôxit. Đó l lý do vì sao ánh sáng Mặt Trời trực tiếp ở vùng hoang mạc có cảm giác nóng nh‡ vậy, còn bóng râm thì rất dễ chịu, trong khi sự khác biệt nhiệt độ biểu kiến d‡ới ánh sáng trực tiếp v d‡ới bóng râm l t‡ơng đối nhỏ ở các vùng ẩm. Khi độ ẩm cao, hơi n‡ớc hấp thụ một phần lớn bức xạ cận hồng ngoại, do đó lm giảm l‡ợng năng l‡ợng khả năng lm nóng da chúng ta. Trong những ngy khô, sụ thiếu hụt hơi n‡ớc cho phép một l‡ợng lớn hơn bức xạ cận hồng ngoại xuyên qua khí quyển v lm tăng nhiệt độ da bạn. Phản xạ v† tán xạ Phản xạ năng l‡ợng l một quá trình trong đó bức xạ tiếp xúc với vật no đó chỉ bị đổi h‡ớng khỏi bề mặt m không bị hấp thụ. Lý do chúng ta có thể nhìn đ‡ợc l mắt ng‡ời có khả năng phát hiện sự tiếp nhận bức xạ nhìn thấy. Năng l‡ợng nhìn thấy truyền trong tất cả các h‡ớng vì nó bị phản xạ khỏi các đối t‡ợng trong tầm nhìn của chúng ta. Một số ánh sáng phản xạ đi tới tiếp xúc với mắt chúng ta, mắt gửi các tín hiệu để cho các trung tâm quang học trong não bộ chúng ta xử lý. Tất cả các chất phản xạ ánh sáng nhìn thấy, nh‡ng với hiệu quả rất khác nhau. Chẳng hạn, một đám tuyết t‡ơi phản xạ ánh sáng nhìn thấy rất hiệu quả, trong khi một cục than chỉ phản xạ một phần nhỏ bức xạ nhìn thấy đi tới bề mặt của nó. Tỉ phần phần trăm của ánh sáng nhìn thấy bị phản xạ bởi một vật hoặc một chất đ‡ợc gọi l albeđô. Ngoi ra, các vật không phản xạ tất cả các b‡ớc sóng nh‡ nhau. Thí dụ, một chiếc áo sơ mi sẽ có mu xanh lam nếu nó phản xạ hiệu quả nhất các b‡ớc sóng ở vùng xanh lam của phổ. ánh sáng có thể bị phản xạ từ một bề mặt theo hai cách khác nhau. Khi ánh sáng chạm vo một cái g‡ơng, nó bị phản xạ lại nh‡ một chùm cùng c‡ờng độ, ng‡ời ta gọi l phản xạ g€ơng. Ng‡ợc lại, khi một chùm bị phản xạ từ một vật nh‡ một số lớn các tia yếu hơn truyền trong nhiều h‡ớng khác nhau, ng‡ời ta gọi l phản xạ tản mạn hay tán xạ. Khi tán xạ xảy ra, bạn không thể nhìn thấy ảnh của chính mình trên bề mặt phản xạ nh‡ bạn có thể nhìn thấy trong một chiếc g‡ơng. Do đó, mặc dù một bề mặt tuyết t‡ơi có thể phản xạ trở lại phần lớn ánh sáng nhìn thấy đi tới nó, bạn không thể nhìn ngắm mình bằng cách nhìn vo tuyết. Đại đa số các bề mặt tự nhiên l bề mặt phản xạ tản mạn chứ không phải l bề mặt phản xạ g‡ơng. Ngoi rất nhiều bề mặt chất rắn, các phân tử khí, các hạt li ti v những giọt n‡ớc nhỏ tán xạ bức xạ. Hơn nữa, mặc dù nhiều bức xạ bị tán xạ trở lại không gian, thì cũng nhiều bức xạ bị đổi h‡ớng về phía bề mặt. Năng l‡ợng tán xạ đạt tới bề mặt Trái Đất do đó l bức xạ tản mạn, nó khác với bức xạ trực tiếp không tản mạn. Hình 3.2 minh họa quá trình tán xạ v biến đổi bức xạ trực tiếp thnh bức xạ tán xạ. Bạn có thể xét quá trình ny theo cách nh‡ sau: tập hợp bức xạ trực tiếp l cái tạo nên các bóng râm, còn một bề mặt trong bóng râm của bức xạ trực tiếp không tối hon ton, bởi vì nó đ‡ợc chiếu sáng bởi bức xạ tán xạ. Hãy l‡u ý rằng dù đ‡ợc thực hiện bởi một phân tử khí, hạt li ti hay giọt n‡ớc, song kết quả vẫn l một quá trình tán xạ, trong đó bức xạ bị đổi h‡ớng chứ không bị hấp thụ. Các đặc tr‡ng của bức xạ bị tán xạ bởi khí quyển phụ thuộc vo kích th‡ớc của những tác nhân tán xạ (các phân tử không khí hoặc các hạt lơ lửng) so với b‡ớc sóng của năng l‡ợng điện từ đi tới. Tồn tại ba loại tán xạ rất phổ biến: tán xạ Rayleigh, tán xạ Mie v tán xạ không chọn lọc. Tán xạ Rayleigh. Các tác nhân tán xạ bé hơn khoảng một phần m‡ời b‡ớc sóng của bức xạ tới lm tản mát bức xạ theo một kiểu gọi l tán xạ Rayleigh. Tán xạ Rayleigh đ‡ợc thực hiện bởi những phân tử khí riêng lẻ trong khí quyển. Nó không tác động nh‡ nhau tới tất cả các b‡ớc sóng của bức xạ Mặt Trời; ng‡ợc lại, nó thiên về phía các b‡ớc sóng ngắn hơn. Tán xạ Rayleigh đặc biệt hiệu quả đối với ánh sáng nhìn nhìn thấy, đặc biệt với những ánh sáng Hình 3.2. Tán xạ l† quá trình trong đó một chùm tia bức xạ bị chia th†nh nhiều tia yếu hơn định h~ớng lại trong nhiều h~ớng khác có mu nh‡ các b‡ớc sóng ngắn nhất, cho nên ánh sáng xanh lam bị tán xạ bởi các phân tử không khí hiệu quả hơn ánh sáng đỏ với b‡ớc sóng di hơn. Ngoi ra, tán xạ Rayleigh lm tản mát bức xạ theo cả hai h‡ớng tiến lên tiếp v quay trở lại. Kết hợp với độ hiệu quả lớn của nó khi tán xạ các b‡ớc sóng ngắn, đặc điểm ny dẫn đến ba hiện t‡ợng lý thú: bầu trời xanh lam trong ngy quang mây, sắc xanh lam của khí quyển khi nhìn từ khoảng không bên ngoi v sắc đỏ của những khoảnh khắc hong hôn v bình minh. Hình 3.3 minh họa tán xạ Rayleigh tạo ra một bầu trời xanh lam nh‡ thế no. Khi những chùm tia bức xạ song song đi vo khí quyển, một phần ánh sáng bị đổi 89 h‡ớng so với h‡ớng ban đầu của nó. Một ng‡ời nhìn lên phía trên, không theo h‡ớng của Mặt Trời, có thể nhìn thấy một số ánh sáng tán xạ đã bị đổi h‡ớng về phía ng‡ời quan sát. Vì ánh sáng xanh lam thuộc loại ngắn nhất trong các b‡ớc sóng nhìn thấy (v do đó dễ bị tán xạ nhất), bức xạ tán xạ chứa một tỉ phần ánh sáng xanh cao hơn so với các ánh sáng vng, lục hay các b‡ớc sóng di hơn khác. Tán xạ Rayleigh diễn ra tại mọi điểm trong khí quyển trong suốt v h‡ớng năng l‡ợng tới một ng‡ời quan sát từ tất cả các h‡ớng, cho nên bất kể bạn nhìn lên từ đâu trong một ngy quang mây thì bầu trời vẫn l mu lam. Dĩ nhiên, không phải tất cả bức xạ tới bị tán xạ trong một ngy trời quang. Thật vậy, l‡ợng bức xạ tán xạ nhận đ‡ợc tại bề mặt trong điều kiện trời không mây th‡ờng bằng khoảng một phần m‡ời l‡ợng bức xạ trực tiếp. Hình 3.3. Bầu trời có m†u lam vì các khí v† hạt li ti trong khí quyển tán xạ một phần bức xạ Mặt Trời tới theo tất cả các h~ớng. Các phân tử không khí tán xạ những b~ớc sóng ngắn hơn hiệu quả hơn. Ai đó trên mặt đất nhìn lên trời tiếp nhận ánh sáng lam, b~ớc sóng ngắn nhất của phần phổ nhìn thấy Trên Mặt Trăng, không có khí quyển, “bầu trời” thnh ra mu đen (hình 3.4). Khi một ng‡ời quan sát nhìn về phía chân trời lên phía Mặt Trăng, không có ánh sáng tán xạ xuống phía d‡ới, bởi vì không có khí quyển v bầu trời hiện ra không khác mấy với bầu trời đêm. Tất cả những gì có thể nhìn thấy đ‡ợc chỉ l năng l‡ợng phản xạ từ bề mặt Mặt Trăng v Trái Đất. Cùng một quá trình dẫn tới bầu trời lam khi nhìn từ mặt đất cũng tạo nên sắc lam của khí quyển khi nhìn từ khoảng không vũ trụ. Giống nh‡ tán xạ h‡ớng tới, tán xạ ng‡ợc trở lại thiên về phía các b‡ớc sóng xanh lam, nên bức xạ tản mát h‡ớng ng‡ợc trở lại khoảng không cũng có mu lam. Tán xạ Rayleigh còn l nguyên nhân của mu đỏ của bình minh v hong hôn nh‡ có thể thấy trên hình 3.5. Hình 3.5 cho thấy điều ny đã diễn ra nh‡ thế no. Khi Mặt Trời đang ở gần chân trời, ánh sáng Mặt Trời phải đi một khoảng cách lớn hơn qua khí quyển so với lúc giữa tr‡a v quãng đ‡ờng xa hơn lm tăng l‡ợng tán xạ Rayleigh. Vì chùm tia trực xạ phải đi quãng đ‡ờng di của nó, những b‡ớc sóng ngắn nhất của bức xạ bị suy kiệt, còn các b‡ớc sóng di hơn chiếm tỉ phần tăng lên trong ánh sáng trực xạ. Bầu trời ở lân cận Mặt Trời vì thế m có sắc đỏ do các ánh sáng lục v lam (b‡ớc sóng ngắn hơn) bị suy kiệt. Hình 3.4. Cảnh Trái Đất đang lên do các du h†nh gia của Apollo 11 nhìn thấy. Mặc dù ảnh n†y chụp ban ng†y, Mặt Trăng không có bầu trời xanh. Đó l† do ở đó không có khí quyển để tán xạ bức xạ tới từ Mặt Trời. Hãy để ý sắc lam của Trái Đất, hệ quả của sự tán xạ Rayleigh Tán xạ Mie. Các chuyển động thẳng đứng trong khí quyển t‡ơng đối mạnh nên khí quyển luôn chứa những hạt son khí lơ lửng. Điều ny đúng không chỉ ở các thnh phố, nơi có xu thế nồng độ ô nhiễm không khí cao hơn, m còn ở những vùng nông thôn cách xa với các hoạt động đô thị. Các hạt son khí vi mô lớn hơn nhiều so với các phân tử không khí v chúng tán xạ ánh sáng bằng một quá trình gọi l tán xạ Mie. Khác với tán xạ Rayleigh, tán xạ Mie chủ yếu về phía tr‡ớc, chỉ lm cho một l‡ợng năng l‡ợng t‡ơng đối nhỏ quay ng‡ợc lại khoảng không. Ngoi ra, tán xạ Mie gần nh‡ không có xu h‡ớng tán xạ bức xạ b‡ớc sóng ngắn nh‡ tán xạ Rayleigh. Do đó, vo những ngy có s‡ơng hay ô nhiễm cao (khi nồng độ son khí cao) bầu trời trở nên xám, vì ton bộ phần nhìn thấy của phổ bị tán xạ một cách hiệu quả về phía mặt đất. Tán xạ Mie cng lm cho bình minh v hong hôn trở nên đỏ hơn so với khi chỉ do tán xạ Rayleigh, cho nên các đợt ô nhiễm không khí nặng dẫn tới những buổi hong hôn rất ngoạn mục (hình 3.6). Các vụ cháy có thể cng lm cho tán xạ Mie tăng c‡ờng hơn nữa. C‡ dân miền tây n‡ớc Mỹ tận mắt thấy đ‡ợc hiện t‡ợng ny 91 khi nhiều vụ cháy lớn thiêu trụi khắp khu vực vo mùa hè năm 2002. Nếu một vụ cháy đủ lớn, tán xạ Mie có thể tăng lên ở những khoảng cách rộng theo chiều gió. Thí dụ năm 1998, hỏa hoạn ở Công viên Quốc gia Yosemite lm rực đỏ bầu trời tới tận Minneapolis, Minnesota. Các vụ phun tro núi lửa, nh‡ vụ lớn ở Pinatubo năm 1991, thậm chí có thể lm thẫm mu đỏ của bình minh v hong hôn trên khắp bán cầu, vì gió trên bình l‡u quyển mang các son khí đi rất xa nguồn của chúng. Hình 3.5. Bình minh v† ho†ng hôn có m†u đỏ vì ánh sáng Mặt Trời đi qua quãng đ~ờng d†i hơn trong khí quyển, gây nên tán xạ mạnh, loại bỏ các b~ớc sóng ngắn khỏi chùm tia bức xạ tới. Kết quả l† ánh sáng Mặt Trời chứa gần nh~ to†n l† các b~ớc sóng d†i (đỏ) Hình 3.6. Tán xạ các b~ớc sóng ngắn l†m tăng m†u đỏ của bình minh v† ho†ng hôn trong những thời kỳ nồng độ hạt li ti cao trong khí quyển Tán xạ không chọn lọc. Các giọt n‡ớc trong mây lớn hơn nhiều so với những hạt li ti lơ lửng; do đó chúng tán xạ ánh sáng theo một cách khác nữa, ít hoặc nhiều giống nh‡ các lăng kính. Một giọt n‡ớc biệt lập tác động tới các b‡ớc sóng khác nhau của bức xạ Mặt Trời một cách khác nhau. Bạn nhìn thấy điều ny khi no bạn đ‡ợc chứng kiến một cầu vồng, nó lm cho từng b‡ớc sóng bị khúc xạ (đổi h‡ớng) một l‡ợng khác nhau, từ đó có những băng mu riêng. Tuy nhiên, về tổng thể mây phản xạ tất cả các b‡ớc sóng của bức xạ tới gần nh‡ nhau, đó l nguyên nhân mây thnh ra có mu trắng hoặc xám. Bởi vì không ‡u tiên cho một b‡ớc sóng cụ thể no, sự tán xạ của mây đôi khi đ‡ợc gọi l tán xạ không chọn lọc. Mây còn l tác nhân quan trọng nhất tán xạ không chọn lọc v có một ảnh h‡ởng to lớn tới quá trình nhận bức xạ Mặt Trời trên ton cầu, vì nó phản xạ một l‡ợng năng l‡ợng rất lớn trở lại khoảng không vũ trụ. Vận chuyển Khi bức xạ Mặt Trời đi qua khoảng chân không của không gian vũ trụ thì không có một biến đổi no về c‡ờng độ, h‡ớng hay b‡ớc sóng của nó. Tuy nhiên, khi nó đi vo khí quyển, chỉ có một phần bức xạ có thể đi qua không bị cản trở tới bề mặt. Tổng l‡ợng biến đổi rất mạnh tùy thuộc vo những điều kiện khí quyển. Một bầu khí quyển trong v khô có thể truyền qua tới 80 % bức xạ Mặt Trời tới nh‡ l chùm bức xạ trực tiếp không bị tán xạ v hấp thụ. Đó l những gì bạn đ‡ợc trải nghiệm vo một ngy trời quang, không nhiễm bẩn với những bóng râm sắc rõ nét. Ng‡ợc lại, khi trời nhiều mây hay s‡ơng mù, chỉ một phần nhỏ bức xạ Mặt Trời đạt tới mặt đất nh‡ l trực xạ. Trong những điều kiện đó, tổng l‡ợng bức xạ đạt tới mặt đất thì bị suy giảm, đồng thời trực xạ chuyển thnh bức xạ tản mát hay tán xạ. Số phận của bức xạ Mặt Trời Vì quỹ đạo Trái Đất quanh Mặt Trời không phải hon ton tròn nên có chút ít biến thiên mùa về l‡ợng bức xạ tới khả năng, năng l‡ợng Mặt Trời khả năng vo kỳ cận điểm nhiều hơn khoảng 7 % so với kỳ viễn điểm. Bất chấp sự biến thiên đó, sẽ l tiện lợi nếu chúng ta coi bức xạ tới đỉnh khí quyển l không đổi v xem điều gì sẽ xảy ra, về trung bình, với khoản năng l‡ợng đó. Nói cách khác, chúng ta phải tính toán l‡ợng bức xạ t‡ơng đối truyền qua khí quyển, bị hấp thụ bởi khí quyển v mặt đất v bị tán xạ trở lại khoảng không. Một công việc nh‡ thế quan trọng hơn một hoạt động kế toán đơn thuần, bởi vì l‡ợng bức xạ bị hấp thụ bởi khí quyển v mặt đất sẽ ảnh h‡ởng lớn tới nhiệt độ của khí quyển v mặt đất. Để đơn giản, chúng ta chấp nhận 100 đơn vị bức xạ tới có mặt tại đỉnh khí quyển v sau đó so sánh l‡ợng năng l‡ợng tán xạ ng‡ợc trở lại khoảng không v bị hấp thụ bởi khí quyển v mặt đất với 100 đơn vị đó. Luôn nhớ rằng, những giá trị đ‡ợc biểu diễn trong lập luận ny l các giá trị trung bình năm v ton cầu; nó không cần áp dụng đối với một nơi hay một thời gian no cụ thể (xem hình 3.7). Về trung bình ton cầu, khí quyển hấp thụ 25 trong số 100 đơn vị hiện có tại đỉnh khí quyển. 7 trong số 25 đơn vị l bức xạ cực tím bị hấp thụ trong bình l‡u 93 quyển bởi ôzôn, phần lớn còn lại l bức xạ cận hồng ngoại bị hấp thụ trong đối l‡u quyển bởi các chất khí (chủ yếu hơi n‡ớc). Vậy phần lớn bức xạ hấp thụ bởi khí quyển không phải l bức xạ nhìn thấy - một tình thế có lợi với chúng ta, bởi vì nếu nh‡ bức xạ nhìn thấy bị hấp thụ mạnh bởi khí quyển, thì chúng ta khó m nhìn đ‡ợc. Phải nhận xét thêm rằng t‡ơng đối ít bức xạ sóng ngắn bị hấp thụ bởi mây; ng‡ợc lại, mây tác động đến bức xạ tới chủ yếu thông qua sự tán xạ v phản xạ. Hình 3.7. Bức xạ Mặt Trời tới khả năng chịu tác động của một số quá trình khi nó đi qua khí quyển. Mây v† các khí khí quyển phản xạ tuần tự 19 v† 6 đơn vị trở lại khoảng không. Khí quyển hấp thụ 25 đơn vị. Chỉ một nửa bức xạ tới khả năng tại đỉnh khí quyển thực sự đạt tới mặt đất, từ đó 5 đơn vị nữa bị phản xạ ng~ợc lại. Bức xạ ròng do mặt đất hấp thụ l† 45 đơn vị Tuy các giọt n‡ớc mây hấp thụ bức xạ sóng ngắn t‡ơng đối kém hiệu quả, chúng tán xạ trở lại một tỉ phần lớn năng l‡ợng tới. Mây có albeđô cao không những lm cho nó đ‡ợc nhìn thấy rõ thậm chí từ trong vũ trụ, m còn lm giảm mạnh l‡ợng năng l‡ợng khả năng lm nóng khí quyển v bề mặt. Về trung bình, thảm mây ton cầu phản xạ 19 đơn vị bức xạ tới trở lại vũ trụ. Nh‡ng mây không phải l tác nhân phản xạ duy nhất. Lấy trung bình ton cầu, các chất khí khí quyển v son khí tán xạ ng‡ợc lại vo vũ trụ 6 trong số 100 đơn vị bức xạ tới tại đỉnh khí quyển, trong đó tán xạ Rayleigh quan trọng hơn tán xạ Mie (bởi vì tán xạ Mie chủ yếu h‡ớng xuống phía d‡ới hơn l h‡ớng trở lại vũ trụ). Tổng cộng, tán xạ bởi mây v các chất khí trả lại vũ trụ 25 đơn vị (tức chúng lm cho khí quyển có albeđô =25 %). Sau khi khí quyển hấp thụ v tán xạ, 50 đơn vị bức xạ tới có thể đạt tới bề mặt. Nh‡ng không phải tất cả bức xạ đạt tới bề mặt đ‡ợc hấp thụ, bởi vì bề mặt Trái Đất không phải đen tuyệt đối. Trong số 50 đơn vị xuống tới bề mặt, 5 đơn vị bị quay trở lại khoảng không. Tổng cộng có tất cả 30 đơn vị bức xạ Mặt Trời đ‡ợc phát tán trở lại vũ trụ (25 từ khí quyển v 5 từ bề mặt), dẫn tới một albeđô hnh tinh l 30 %. Hãy l‡u ý l l‡ợng bức xạ tới bị phản xạ từ mặt đất hơi nhỏ hơn l‡ợng bị phát tán trở lại bởi các chất khí khí quyển. Nói cách khác, khi nhìn từ vũ trụ, hnh tinh của chúng ta sáng l nhờ phản xạ khí quyển hơn l nhờ phản xạ mặt đất. Kết quả cuối cùng của các quá trình ny l khí quyển hấp thụ 25 đơn vị năng l‡ợng, còn mặt đất nhận lấy 45 đơn vị. Nếu nh‡ câu chuyện chỉ có thế, tất cả chúng ta sẽ bị nguy to, bởi vì sự cung ứng nhiệt không đổi sẽ lm cho hnh tinh liên tục nóng lên. Thật vậy, nếu nh‡ nguồn năng l‡ợng ny đ‡ợc tích lũy trong một lớp vi cm bên trên bề mặt Trái Đất, thì mặt đất sẽ bị nung nóng với tốc độ vi trăm độ bách phân trong một ngy! Rõ rng chúng ta không thấy các đại d‡ơng bị sôi lên, m mặt đất thì cũng không bị nóng chảy ra; vậy thì bề mặt phải không ngừng lm mất năng l‡ợng. Khí quyển cũng thế, v đối với ton bộ hệ thống Trái Đất - khí quyển cũng thế. Nói cách khác, trong điều kiện không có biến đổi khí hậu, thì bề mặt, khí quyển v hệ thống hnh tinh phải lm mất nhiều năng l‡ợng nh‡ chúng đã nhận đ‡ợc. Để đạt đ‡ợc sự cân bằng năng l‡ợng đó, những l‡ợng năng l‡ợng khổng lồ phải đ‡ợc vận chuyển ra khỏi hệ thống Trái Đất, v trong phạm vi hệ thống giữa bề mặt v khí quyển. Bây giờ chúng ta bn đến những cơ chế liên quan tới việc duy trì cân bằng năng l‡ợng của Trái Đất. Những quá trình truyền năng l~ợng giữa bề mặt v† khí quyển Khí quyển v bề mặt không ngừng trao đổi năng l‡ợng với nhau. Phần lớn quá trình trao đổi năng l‡ợng đó đ‡ợc thực hiện bằng phát xạ v hấp thụ bức xạ, nh‡ng các quá trình khác cũng quan trọng. Mục ny mô tả những quá trình m thông qua chúng năng l‡ợng đ‡ợc truyền đi. Trao đổi bức xạ bề mặt - khí quyển Giống nh‡ tất cả những vật thể khác có nhiệt độ nằm trong phạm vi nhiệt độ Trái Đất, bề mặt Trái Đất v khí quyển phát năng l‡ợng gần nh‡ hon ton ở vùng sóng di (chủ yếu l nhiệt hồng ngoại). Mọi bn luận về vận chuyển năng l‡ợng sóng di đều có phần phức tạp hơn so với bn luận về bức xạ Mặt Trời, bởi vì năng l‡ợng sóng di không có điểm đầu hay điểm cuối rõ rệt. Bức xạ sóng di do bề mặt Trái Đất phát xạ bị hấp thụ mạnh bởi khí quyển. Điều đó lm tăng nhiệt độ của khí quyển v lm cho khí quyển cng phát xạ nhiều năng l‡ợng hơn ra ngoi khoảng không. Năng l‡ợng do khí quyển phát xạ đ‡ợc truyền trong tất cả các h‡ớng, kể cả h‡ớng xuống phía d‡ới, v do đó, bề mặt nhận đ‡ợc một phần đáng kể năng l‡ợng ny. Quá trình ny lại lm bề mặt đ‡ợc nung nóng tiếp, lại dẫn tới tăng phát bức xạ sóng di từ bề mặt, khí quyển lại thu đ‡ợc nhiệt, v cứ thế tiếp diễn. Nói cách khác, có một chu trình trao đổi vô tận, trong đó năng l‡ợng liên tục vận chuyển tới v lui. Hình 3.8 mô tả l‡ợng bức xạ sóng di trung bình ton cầu trao đổi giữa khí quyển v bề mặt. Bắt đầu với bề mặt, chúng ta thấy rằng 104 đơn vị bức xạ sóng di đ‡ợc phát lên trên vo khí quyển, phần lớn nhất (100 đơn vị) bị hấp thụ bởi khí quyển. Khí quyển trong sạch hấp thụ bức xạ nhiệt tốt hơn nhiều so với bức xạ Mặt Trời, chính l do sự có mặt của hơi n‡ớc v cacbonic. Nh‡ đã thấy trên hình 3.9, cả hai chất khí ny đều l những vật hấp thụ tốt bức xạ sóng di, dải hấp thụ mạnh nằm ở phần sóng di của phổ (xem chuyên mục 3-1: Những nguyên lý vật lý: Sự hấp thụ chọn lọc bởi hơi noớc vu khí cacbonic). 95 Hình 3.8. Sự di chuyển bức xạ sóng d†i giữa bề mặt v† khí quyển. Bề mặt phát 104 đơn vị lên khí quyển v† nhận 88 từ khí quyển, tổn thất ròng 16 đv. Khí quyển phát 154 đơn vị v† nhận 100 từ bề mặt, thiếu hụt ròng 54 đv Hình 3.9. Bề mặt Trái Đất phát bức xạ gần giống vật đen (a), nh~ng các chất khí khí quyển hấp thụ phần lớn năng l~ợng với b~ớc sóng ngo†i dải 8 đến 11 m.μ Vùng bị tô đen ở (a) chỉ năng l~ợng bị khí quyển hấp thụ. Hình (b) biểu diễn hiệu suất hấp thụ năng l~ợng của các chất khí cụ thể. Tỉ lệ của vùng tô đen chỉ phần trăm của năng l~ợng sóng d†i bị hấp thụ Mặc dù hơi n‡ớc, cacbonic v các chất khí nh kính khác l những chất hấp thụ tốt phần lớn các b‡ớc sóng của bức xạ sóng di, một phần của phổ sóng di có thể đi qua khí quyển một cách t‡ơng đối vô hại. Điều rất lý thú l, các b‡ớc sóng trong dải ny, 8 đến 12 mμ , lại trùng hợp với các b‡ớc sóng m bề mặt Trái Đất phát xạ mạnh nhất. Dải b‡ớc sóng không bị các chất khí khí quyển hấp thụ ny đ‡ợc gọi l cửa sổ khí quyển. Không nên nghĩ rằng cửa sổ khí quyển l nơi khí quyển không có một số chất khí, nó chỉ l một dải b‡ớc sóng có tầm quan trọng đặc biệt đối với sự cân bằng bức xạ. Mặc dù các chất khí của khí quyển không hấp thụ hiệu quả những b‡ớc sóng trong cửa sổ khí quyển, nh‡ng mây (thậm chí với độ dy rất khiêm tốn) lại sẵn sng hấp thụ gần nh‡ tất cả bức xạ sóng di. Điều ny giải thích tại sao các đêm nhiều mây không bị lạnh nhanh nh‡ những đêm trời trong. Khi bầu trời đêm bị phủ đầy mây, thảm mây hấp thụ một phần lớn năng l‡ợng m lẽ ra sẽ thoát vo vũ trụ. Їợc nóng lên bởi năng l‡ợng đó, mây phát bức xạ sóng di xuống phía bề mặt v những l‡ợng ít hơn lên trên vo khoảng không. Nh‡ vậy, mây có tác dụng giống nh‡ một tấm chăn giúp giữ nhiệt. 3-1 Những nguyên lý vật lý: Sự