- Trang Chủ
- Địa Lý
- Bài giảng Khí hậu học và Khí hậu Việt Nam (Phần 1: Khí hậu học): Chương 2 – Phan Văn Tân
Xem mẫu
- PHẦN 1: KHÍ HẬU HỌC
Chương 2. Cân bằng năng lượng
toàn cầu
- 2.1 Sự nóng lên và năng lượng
| Nhiệt độ là biến khí hậu quan trọng nhất
| Nhiệt độ là thước đo năng lượng chuyển động của các phân tử.
| Cân bằng năng lượng toàn cầu là sự cân bằng giữa năng lượng
bức xạ sóng ngắn đến từ mặt trời và năng lượng trả về không
trung do phát xạ sóng dài của Trái đất.
{ Hấp thụ bức xạ mặt trời chủ yếu xảy ra ở bề mặt
{ Phát xạ sóng dài chủ yếu xảy ra từ lớp vỏ khí quyển
| Vai trò của khí quyển: Hấp thụ và phát xạ sóng dài rất mạnh
{ Nếu không có lớp khí quyển thì bề mặt đất sẽ nóng hơn rất nhiều
| Lượng bức xạ mặt trời hấp thụ được ở nhiệt đới lớn hơn ở gần cực
| Vai trò của KQ & Đại dương là vận chuyển năng lượng từ nhiệt
đới về hai đầu cực è làm giảm hiệu ứng gradient nhiệt độ ở bề
mặt
- Cân bằng năng lượng Trái đất
Năng lượng đến = Năng lượng đi
2 2 4
S (1 − α )π R = 4π R σ T
o
T ≈ −18 C
Nhưng giá trị quan trắc của Ts là khoảng 15° C
- 2.2 Hệ mặt trời
| Nguồn năng lượng để duy trì sự sống trên Trái đất là năng
lượng mặt trời
| Mặt trời cung cấp đầy đủ và ổn định nguồn nhiệt và ánh sáng
cho Trái đất.
| Mặt trời là một trong khoảng 1011 ngôi sao trong dải Ngân hà
Milky Way của chúng ta
| Mặt trời là một ngôi sao đơn trong khi hai phần ba các ngôi
sao ta có thể thấy nằm trong các hệ nhiều sao
| Từ khi hình thành Trái đất đến nay (khoảng 4.5 tỷ năm) độ
chói của mặt trời tăng khoảng 30%
| Hệ mặt trời có 8 hành tinh, có thể chia thành hai nhóm:
{ Các hành tinh bên trong (terrestrial): Mercury, Venus, Mars, and
Earth (Sao Thủy, Sao Kim, Sao Hỏa và Trái Đất)
{ Các hành tinh bên ngoài (Jovian): Jupiter, Saturn, Uranus, and
Neptune (Sao Mộc, Sao Thổ, Sao Thiên Vương và Sao Hải Vương)
- terrestrial planets include Mercury, Venus, Mars, and Earth. The Jovian
planets include Jupiter, Saturn, Uranus, and Neptune.
2.2 Hệ mặt trời
2.2.1 PlanetaryBảng 2.1 Các tính chất của mặt trời
Motion
Khối lượng orbit about the Sun in ellipses, which1.99
The planets 1030character-
have×three kg
istics:
Bánthe mean planet–Sun distance, the eccentricity,6.96
kính and×the 10orientation
8m
of the orbital plane. The mean distance from the Sun controls the amount
26
of Độ chói
solar 3.9unit
irradiance (energy delivered per unit time per × 10area)J/s
arriving
Khoảng cách trung bình đến Trái đất 1.496 × 1011 m
TABLE 2.2 Characteristics of Inner and Outer Planets
Characteristic Outer (Jovian) Inner (terrestrial)
Density Small Large
Mass Large Small
Sun distance Large Small
Atmosphere Extensive Thin or none
Satellites Many Few or none
Composition H, He, CH4, NH3 Mostly silicates, rocks
- 2.2.1 Sự chuyển động của Trái đất
| Các hành tinh nói chung, Trái đất nói riêng, quay xung
quanh mặt trời theo quỹ đạo ellipse với 3 đặc trưng:
{ Khoảng cách trung bình hành tinh-mặt trời: Chi phối lượng
năng lượng mặt trời đến hành tinh và độ dài năm
{ Độ lệch tâm (eccentricity), tức “độ méo” so với đường tròn:
Chi phối mức độ biến động trong năm của bức xạ mặt trời đến
{ Độ nghiêng (obliquity), là góc giữa trục quay và pháp tuyến
của mặt phẳng quĩ đạo: Chi phối biến động mùa của bức xạ
mặt trời nhất là ở các vĩ độ cao. Ảnh hưởng mạnh đến bức xạ
mặt trời trung bình năm ở các vùng cực. Giá trị hiện tại là
23.45o
- 2.2 Hệ mặt trời
| Kinh độ của điểm cận nhật (perihelion) xác định pha các
mùa đối với vị trí của hành tinh trên quỹ đạo
{ Ví dụ, hiện tại Trái đất đi qua điểm gần mặt trời nhất (điểm
cận nhật) vào mùa đông Nam bán cầu, khoảng 05 tháng 1
{ Do đó Nam bán cầu nhận được bức xạ tại đỉnh khí quyển
trong mùa hè nhiều hơn Bắc bán cầu, mặc dù bức xạ mặt trời
trung bình năm cả hai bán cầu như nhau
| Tốc độ quay (quanh trục) của hành tinh: Quyết định thời
gian chiếu nắng ban ngày
{ Là nhân tố quan trọng tác động đến sự đốt nóng của mặt trời
đối với khí quyển và đại dương è Tác động đến chế độ gió và
dòng chảy
- Các hành tinh trong hệ mặt trời
Bảng 2.3 Tính chất vật lý của hành tinh trong hệ mặt trời
Hành KLg RTB ρ K/C đến Độ dài Độ Độ lệc C.Kỳ Albedo
tinh (1026kg) (km) (g/cm3) mặt trời năm nghiêng tâm quĩ Quay
(106km) (ngày) (độ) đạo (ngày)
Sao Thuỷ 3.35 2439 5.51 58 88 (0) 0.206 58.7 0.058
Sao Kim 48.7 6049 5.26 108 225
- Chuyển động của Trái đất xung quanh mặt trời
- Mô phỏng sự chuyển động của Trái đất xung quanh mặt trời
- 2.3 Cân bằng năng lượng Trái đất
2.3.1 Định luật thứ nhất nhiệt động học
| “Lượng nhập nhiệt của hệ thống bằng sự biến đổi của nội
năng trừ đi công tiêu hao”: dQ = dU - dW
| Nhiệt (dQ) có thể được truyền đến và truyền đi từ hệ theo
ba cách:
{ Bức xạ: Không có trao đổi khối lượng, không đòi hỏi môi
trường truyền. Năng lượng bức xạ thuần di chuyển với tốc độ
ánh sáng
{ Dẫn nhiệt: Không trao đổi khối lượng, nhưng đòi hỏi phải có
môi trường truyền nhiệt bằng sự va chạm giữa các nguyên tử
hay phân tử
{ Đối lưu: Có trao đổi khối lượng. Sự chuyển dịch khối lượng
thực sự có thể xuất hiện, nhưng thông thường là các phần tử vật
chất có năng lượng khác nhau thay đổi vị trí cho nhau, do đó
năng lượng được trao đổi mà không có sự dịch chuyển thực sự
của khối lượng
- 2.3.1 Định luật thứ nhất nhiệt động học
| Năng lượng từ mặt trời truyền xuống trái đất hầu như
hoàn toàn bằng con đường bức xạ
{ Để tính cân bằng năng lượng của Trái đất cần xét sự trao đổi
năng lượng bức xạ
| Bỏ qua ảnh hưởng của lượng vật chất trong không gian
vũ trụ đến dòng năng lượng giữa mặt trời và Trái đất
{ Có thể xem không gian giữa quyển sáng của mặt trời và đỉnh
tầng khí quyển Trái đất như là chân không
- 2.3.2 Dòng năng lượng, bức xạ và hằng số mặt trời
| Mặt trời phát ra dòng năng lượng gần như không đổi
được gọi là độ trưng, hay thông lượng dòng mặt trời
tại quyển sáng rphoto, L0 = 3.9×1026 W
| Độ rọi hay mật độ dòng có thể được định nghĩa bởi:
Mật độ dòngphoto = Thông lượng dòng/Diện tíchphoto =
L0 3.9 ×10 26 w 7 2
2
= = 6.4 × 10 w / m rphoto
4πrphoto 4π[6.96 ×10 8 m]2
rphoto=6.9 x 108 m
- Bao quanh mặt trời bởi một mặt cầu bán kính d
• Thông lượng dòng qua mặt cầu
bán kính d bằng thông lượng
d dòng tại quyển sáng và bằng
L0 = Sd4πd2
• Mật độ dòng tại d:
Sd = L0/(4πd2)
• Cho d bằng khoảng cách trung
bình Trái đất – mặt trời:
d=1.5x1011 m
L0 3.9 ×10 26 W
• Sd à S0: S0 = 2
= 2
≅ 1379 (W/m2)
4π d 4π "#1.5 ×1011 m$%
• S0=1379 W/m2 được gọi là Hằng số mặt trời của Trái đất
• Giá trị của S0 nói chung không thống nhất (1368, 1370,…)
- 2.3.3 Bức xạ bình kín
| Sự phụ thuộc của phát xạ vật đen vào nhiệt độ, theo định
luật Stefan-Bolzmann:
EBB = σT4; σ = 5.67×10-8 W/(m2K4)
| Ví dụ: Nhiệt độ phát xạ của mặt trời
4
σTphoto = 6.4 × 107 w / m2
7 −2
6.4 × 10 Wm
Tphoto =4 = 5796K ≈ 6000K
σ
2.3.4 Độ phát xạ
• Độ phát xạ ε là tỷ số giữa phát xạ thực tế của một vật hay
một thể tích khí và phát xạ của vật đen có cùng nhiệt độ:
ER = εσT4
ER
ε=
σT 4
- 2.4 Nhiệt độ phát xạ của Trái đất
| Nhiệt độ phát xạ của hành tinh là nhiệt độ vật đen mà với nhiệt độ
này nó cần phát xạ để đạt được sự cân bằng năng lượng
Bức xạ mặt trời hấp thụ được = Bức xạ phát xạ của Trái đất
- • Diện tích nhận năngFigure
lượng mặt
2.2: Heat trờiandbằng
absorbed diện
emitted by tích vùng khuất bóng
the Earth.
• Diện tích phát
In orderxạto bằng
achieve adiện tích
heat balance, mặt
the heatcầuflux coming from the Sun must be
compensated for by an equivalent heat loss. If this were not true, the Earth’s temperature
would rapidly rise or fall. At the Earth’s temperature, following Wien’s Law, this is
• Nhưng không
achieved phải energy
by radiating tất cảin the
bức xạ mặt
infrared part of trời chiếu đến
the electromagnetic hànhAstinh
spectrum. the đều
được radiations
hấp thụ. Một tỷ lệ nào đó sẽ bị phản xạ trở lại không gian vũ
emitted by the Earth have a much longer wavelength than those received from
the Sun, they are often termed longwave radiation while those from the Sun are called
trụ không
shortwaveđược hấp
radiation. thụ
Treating
2 và do
the Earth đó
as a không
black body,được
the totalđưa vào
amount
is emitted by a 1 m surface (A↑) can be computed by Stefan-Boltzmann’s law:
cân
of energy bằng
that
năng lượng hành tinh. Ta gọi độ phản xạ đó của hành tinh(2.1) là
A ↑= σ T 4
albedo và ký hiệu nó bởi αp
e
where σ is the Stefan Boltzmann constant (σ=5.67 10-8 W m-2 K-4). This equation defines
Te , effective emission temperature of the Earth. The Earth emits energy in the directions,
so the total amount of energy emitted by the Earth is A↑ times the surface of the Earth, 4
- • Albedo trung bình toàn cầu
khoảng 30% nên chỉ 70%
độ chiếu nắng được hấp thụ
bởi hệ thống khí hậu
• Bức xạ mặt trời được hấp
thụ = S (1− α )π r 2
0 p p
• Độ chiếu nắng trung bình
toàn cầu tại đỉnh khí quyển
khoảng 340 W/m2, nên chỉ
khoảng 240 W/m2 được
hấp thụ
- • Giả thiết phát xạ của trái đất giống như của vật đen.
• Diện tích mà từ đó xảy ra sự phát xạ là diện tích mặt cầu
• Bức xạ phát xạ Trái đất = σTe4 4πrp2
- Phương trình cân bằng năng lượng
Bức xạ mặt trời hấp thụ được = Bức xạ phát xạ của Trái đất
2. The Energy balance, hydrological and carbon cycles
S0
(1 − α p ) = σTe4
4
(S0 / 4)(1 − α p )
Te = 4
σ
Ví dụ: Nhiệt độ phát xạ của trái đất
Figure 2.3: Simple heat balance of the Earth (assuming it behaves like a perfect
blackbody).
−2that could be measured somewhere on
The temperature Te is not a real temperature
(1367 Wm / 4)(1 − 0.3)
Earth. It is only the black body temperature required to balance the solar energy input. It
T =4
can also be interpreted = 255K = −18C = −34F
o as the temperature that −would
8
occur on the Earth’s surface if it
−2 temperature
−4
at every point.
5.67 ×10 Wm K
were a perfect black body, there were no atmosphere, and the was the same
2.1.2 The greenhouse effect
Nhưng giá trị quan trắc của T là khoảng 15° C ??? s 20% of the
The atmosphere is nearly transparent to visible light, absorbing about
incoming solar radiation. As a consequence, the majority of the absorption takes place at
Earth’s surface (see section 2.1.6). On the other hand, the atmosphere is almost opaque
across most of the infrared part of the electromagnetic spectrum. This is related to the
radiative properties of some minor constituents of the atmosphere, especially water
nguon tai.lieu . vn
