Xem mẫu
- KHÍ HẬU HỌC
Chương 3. Sự truyền bức xạ
trong khí quyển và khí hậu
- 3.1 Photon và các thành phần vi lượng
Năng lượng truyền từ mặt trời xuống Trái đất chủ yếu bằng con
đường bức xạ điện từ
Khí quyển tương đối trong suốt đối với bức xạ mặt trời khoảng
một nửa bức xạ mặt trời xuống đến bề mặt bị hấp thụ bởi mặt đất
và đại dương
Để đạt được cân bằng năng lượng Trái đất phải phát xạ sóng dài
vào không gian vũ trụ Sự truyền bức xạ sóng dài trong khí
quyển đóng vai trò quan trọng
Quá trình truyền bức xạ trong khí quyển phụ thuộc vào tính chất
lý hóa của khí quyển: các thành phần khí, bản chất của các aerosol
và sự hiện diện mây chứa nước
Sự hấp thụ bức xạ nhiệt trong không khí được thực hiện bởi các
phân tử gồm một phần nhỏ của khối lượng khí quyển
Sự phụ thuộc của khí hậu vào vô số các thành phần vi lượng này
làm cho khí hậu nhạy cảm với những thay đổi tự nhiên và những
thay đổi do con người gây ra trong thành phần khí quyển
- 3.2 Bản chất của bức xạ điện từ
Bức xạ điện từ có thể xuyên qua hoặc dưới dạng
sóng hoặc dưới dạng các hạt nhỏ biểu diễn sự dịch
chuyển của năng lượng trong không gian
Khi xem xét quá trình hấp thụ và phát xạ bức xạ thì
năng lượng bức xạ là những hạt năng lượng rời rạc
mà ta gọi là photon
Tốc độ của bức xạ điện từ trong chân không là một
hằng số c*=3.108m/s tần số và bước sóng tỷ
lệ nghịch với nhau
* *
c c
- Nếu cho rằng ánh sáng như là những photon, khi đó photon có
năng lượng E tỷ lệ với tần số của nó
E
= 6.625 x 1034Js là hằng số Planck
• Có thể mô tả ánh sáng dưới dạng sóng hoặc dưới dạng hạt
• Photon có năng lượng cao = Sóng ngắn;
Photon có năng lượng thấp hơn = Sóng dài hơn
• Hầu hết năng lượng bức xạ mặt trời nằm trong khoảng bước sóng
100 nm - 4 m, bao gồm bức xạ tử ngoại, bức xạ nhìn thấy và bức
xạ gần hồng ngoại.
• 99% bức xạ mặt trời nằm trong phổ nhìn thấy (0.4-0.75m) và
gần hồng ngoại (0.75-5m)
• Bức xạ tử ngoại chỉ chiếm dưới 1%
• Năng lượng phát xạ của trái đất hầu như nằm trong khoảng
4200m (hồng ngoại)
- Phổ bức xạ điện từ của mặt trời
- So sánh phổ bức xạ mặt trời và Trái đất
- 3.3 Mô tả năng lượng bức xạ
Một số thuật ngữ
Độ chói hay Cường độ là
năng lượng trên một đơn
vị góc khối, thường xét
cho một dải bước sóng
Thông lượng là tổng năng
lượng đi qua một mặt (tích
phân của cường độ)
q = Góc thiên đỉnh
j = Góc phương vị
dw = Số gia góc khối
- Cường độ đơn sắc là lượng năng lượng bức
xạ (dF) trong khoảng tần số ( +d) là
dòng xuyên qua một số gia diện tích (dA)
trong một góc khối (d) trong một khoảng
thời gian (dt):
dF = I cos d dA d dt
d = sin d d
Mật độ thông lượng phổ ứng với tần số :
2 / 2
F I (, ) cos sin dd
0 0
Mật độ thông lượng hay mật độ dòng (W/m2):
F F d
0
- Bức xạ có thể bị phản xạ, truyền qua hoặc bị hấp thụ
hoàn toàn bởi vật chất
- Sự bảo toàn năng lượng
Bức xạ đi đến môi trường có thể:
bị hấp thụ bởi môi trường
bị phản xạ bởi môi trường
truyền qua môi trường
Ei = Ea + Er + Et Er
Định nghĩa Ea
Độ phản xạ r = Er/Ei
Ei Et
Độ hấp thụ a = Ea/Ei
Độ truyền qua t = Et/Ei
Sự bảo toàn năng lượng : r + a + = 1
- Khi tia bức xạ chạm vào một đối tượng (phân tử khí, hạt xon
khí hoặc một mặt rắn,...) có thể xảy ra một vài khả năng
tương tác giữa chúng.
Bức xạ có thể xuyên qua đối tượng mà không bị biến đổi gì
cả, được gọi là sự truyền xạ hoàn toàn (hay thấu xạ).
Bức xạ có thể đổi hướng mà không biến đổi năng lượng, được
gọi là tán xạ thuần tuý.
Bức xạ có thể bị hấp thụ, trong đó năng lượng của nó được
truyền cho đối tượng.
Khả năng photon sẽ bị tán xạ, hấp thụ hoặc truyền qua phụ
thuộc vào tần số bức xạ và tính chất vật lý của đối tượng:
Những giọt nước tinh khiết trong mây làm tán xạ bức xạ nhìn thấy rất
hiệu quả vì khi đó chỉ xảy ra sự hấp thụ tương đối nhỏ.
Hơi nước và carbon dioxide là những chất hấp thụ bức xạ nhiệt hồng
ngoại rất hữu hiệu ở những tần số nhất định
- 3.4 Định luật phát xạ vật đen của Planck
Định luật Planck: Cường độ bức xạ trong bình kín ở trạng thái
cân bằng nhiệt động được xác định một cách đơn trị như là
hàm của tần số và nhiệt độ
2 3 1
B ( T)
* 2 ( e / kT 1)
c
=6.6251034 Js (hằng số Planck), k=1.371023 J/K (hằng số
Boltzmann), c* = 3108 m/s (tốc độ ánh sáng), là tần số bức xạ đo
bằng 1/s, T là nhiệt độ đo bằng độ Kelvins
• Định luật StefanBoltzmann là tích phân định luật Planck trên
toàn bộ tần số và trên tất cả các góc trong nửa bán cầu:
2 5 4
k
B (T)d T
4
*2 3
0 15c
• Định luật Wien: Bước sóng phát xạ cực đại tỷ lệ nghịch với
nhiệt độ
- Cường độ phát xạ được xác định bởi:
Định luật Planck (phụ thuộc bước sóng)
Định luật Stefan Boltzmann (tổng lượng phát xạ)
Định luật Wien (bước sóng phát xạ cực đại)
• Cường độ phát xạ
là hàm rất nhạy
của bước sóng
• Tổng lượng phát
xạ phụ thuộc
mạnh vào nhiệt
độ
- Bức xạ của mặt trời và bức xạ của trái đất
Trái đất nhận năng lượng từ mặt trời tại mọi dải bước sóng, nhưng
chủ yếu là ở những bước sóng nhìn thấy hoặc bước sóng ngắn hơn
Trái đất phát xạ trở lại không gian vũ trụ ở những bước sóng dài
hơn rất nhiều (phát xạ nhiệt)
Vì nhiệt độ trái đất và nhiệt độ mặt trời rất khác nhau, nên để thuận
tiện ta chia bức xạ khí quyển thành bức xạ mặt trời và bức xạ
trái đất
- Một số thuật ngữ về bức xạ
Gọi theo nguồn gốc
Bức xạ mặt trời: Bắt nguồn từ mặt trời
Bức xạ trái đất: Bắt nguồn từ trái đất
Gọi theo tên gọi thích hợp
Bức xạ cực tím, Bức xạ (có thể) nhìn thấy (khả kiến), Bức
xạ gần hồng ngoại, Bức xạ hồng ngoại, Vi sóng, v.v...
Gọi theo bước sóng
Bức xạ sóng ngắn: 3 micrometers
Bức xạ sóng dài: > 3 micrometers
- 3.5 Sự hấp thụ và phát xạ có chọn lọc do các
chất khí trong khí quyển
• Sự chênh lệch này được giải thích bởi tính chất truyền khác nhau
của khí quyển đối với bức xạ trái đất và bức xạ mặt trời: Khí
quyển tương đối trong suốt đối với bức xạ mặt trời, và gần như mờ
đục đối với bức xạ trái đất
- Sự hấp thụ bức xạ bởi các chất khí khác nhau
Các chất
khí khác
nhau hấp
thụ bức xạ
mạnh/yếu
ở những
bước sóng
khác nhau
Tại sao?
- Phân tử là những chất hấp thụ/phát xạ
Các phân tử khí trong khí
quyển tương tác với các photon
của bức xạ điện từ
Các loại chuyển mức năng
lượng phân tử khác nhau có thể
hấp thụ/phát xạ bức xạ ở những
bước sóng rất khác nhau
Một số phân tử có thể tương
tác với các photon mạnh hơn
các phân tử khác nhiều
Cấu trúc phân tử khác nhau tạo
ra sự hấp thụ/phát xạ ở những
bước sóng khác nhau
- Tác động của bức xạ đối với các phân tử khí
nguon tai.lieu . vn