Bài giảng Khí hậu học: Chương 2 – ĐH KHTN Hà Nội

KHÍ HẬU HỌC
Chương 2. Cân bằng năng lượng
tồn 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 khơng
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 trị của khí quyển: Hấp thụ và phát xạ sóng dài rất mạnh


Nếu khơng 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  làm giảm hiệu ứng gradient nhiệt độ ở bề
mặt


Cân bằng năng lượng Trái đất

Năng lượng đến = Năng lượng đi

S (1   ) R  4 R  T
2

2

4

T  18o 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 ngôi sao đơn, tuổi thọ trung bình, độ chói trung bình.
 Từ khi hình thành Trái đất đến nay (khoảng 5 tỷ năm) độ chói của mặt
trời tăng khoảng 30%.

Bảng 2.1 Các tính chất của mặt trời
Khối lượng
Bán kính
Độ chói

1.99  1030 kg
6.96  108 m
3.9  1026 J/s

Khoảng cách trung bình đến Trái đất

1.496  1011 m


2.2.1 Sự chuyển động của Trái đất
 Các hành tinh quay xung quanh mặt trời theo các quĩ

đạo ellip với 3 đặc trưng:

 Khống cách trung bình hành tinh-mặt trời: Chi phối mật độ

dòng năng lượng mặt trời và độ dài năm
 Độ lệch tâm quĩ đạo: Quyết định mức độ biến động của mật
độ dòng mặt trời đến hành tinh trong năm
 Độ nghiêng của mặt phẳng quĩ đạo: Khơng ảnh hưởng trực
tiếp đến khí hậu

 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  Tác động đến chế độ gió
và dịng chảy


2.2.1 Sự chuyển động của các hành

tinh
Hành
tinh

Bảng 2.3 Tính chất vật lý của hành tinh trong hệ mặt trời
KLg
RTB

K/C đến Độ dài
Độ
Độ lệc
C.Kỳ
(1026kg) (km) (g/cm3) mặt trời năm nghiêng tâm quĩ Quay
(106km) (ngày)
(độ)
đạo
(ngày)

Albedo

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

<3

0.007

-2439

0.71

Trái đất

59.8

6371

5.52

150

365

23.45

0.017

1.00

0.30

Sao Hoả

6.43

3390

3.94

228

687

24.0

0.093

1.03

0.16

Sao Mộc

19.1

69500

1.35

778

4330

3.1

0.048

0.41

0.34

Sao Thổ

5690

58100

0.69

1430

10800

26.8

0.056

0.43

0.34

Th. Vương

877

24500

1.44

2870

30700

98.0

0.047

-0.729

0.34

Hải vương

1030

25100

1.65

4500

60200

28.8

0.009

0.76

0.29

D. Vương

(0.16)

(1500) (1.10)

5900

90700

(57.5)

0.247

(6.75)

(0.4)


Quĩ đạo của Trái đất xung quanh mặt trời


Quĩ đạo của Trái đất xung quanh mặt trời


Vị trí của Trái đất trên quĩ đạo ứng với các
điểm chí và điểm phân


Mô phỏng sự chuyển động của Trái đất

xung quanh mặt trời


Độ lệch tâm quĩ đạo


Độ nghiêng của trục quay


Chuyển động tiến động


Kết hợp đầy đủ: Độ lệch tâm, Độ nghiêng và Tiến động


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 có thể đợc truyền đến và truyền đi từ hệ theo ba con đờng:






Bức xạ: Khơng có trao đổi khối lượng, khơng địi hỏi môi trường truyền. Năng lượng bức xạ
thuần di chuyển với tốc độ ánh sáng



Dẫn nhiệt: Không trao đổi khối lượng, nhưng địi hỏi phải có mơi 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
thơng thường là các phần tử vật chất có năng lượng khác nhau thay đổi vị trí cho nhau, do đó
năng lượng đợc trao đổi mà khơng có sự dịch chuyển thực sự của khối lượng

Năng lượng từ mặt trời truyền xuống trái đất hầu như hồn tồn bằng con
đường bức xạ




Để tính cân bằng năng lượng của trái đất ta chỉ cần xét sự trao đổi năng lượng bức xạ

Bỏ qua ảnh hởng của lượng vật chất trong không gian vũ trụ đến dịng 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 nh là
chân khơng


• Mặt trời phát ra dòng năng lượng gần như khơng đổi được gọi là độ
chói của mặt trời, hay thơng lượng dịng mặt trời tại rphoto, L0 =
3.91026 W
• Mật độ dịngphoto = Thơng lượng dịng/Diện tíchphoto =

L0
3.9 10 26 w
7
2


6
.
4

10
w
/
m
2
4rphoto
4[6.96 108 m]2
• Thơng lượng dịng qua mặt
cầu bán kính d bằng thơng
lượng dịng tại quyển sáng
và bằng L0
• Thơng lượng dịng =
L0 = Sd4d2

rphoto=6.9 x 108 m

d

• Hằng số mặt trời tại kh/cách d = Mật độ dòng tại kh/cách d =
Sd = L0/(4d2)

• Nếu d = kh/cách trung bình trái đất - mặt trời (1.5x1011 m) thì
Sd = S0 = 1367 W/m2


2.3.3 Bức xạ bình kín
 Sự phụ thuộc của phát xạ vật đen vào nhiệt độ, theo định

luật Stefan-Bolzmann:
EBB = T4;  = 5.6710-8 W/(m2K4)
 Ví dụ: Nhiệt độ phát xạ của mặt trời
4
Tphoto

Tphoto

 6.4  10 w / m
7

2

7
2
6
.
4

10
Wm
4
 5796K  6000K



2.3.4 Độ phát xạ
• Độ phát xạ  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 = T4


ER

T 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 năng lượng mặt trời bằng diện tích vùng khuất bóng

•Diện tích phát xạ bằng diện tích mặt cầu


• Nhưng không phải tất cả bức xạ mặt trời chiếu đến hành
tinh đều được hấp thụ. Một tỷ lệ nào đó sẽ bị phản xạ trở
lại khơng gian vũ trụ khơng được hấp thụ và do đó khơng
được đưa vào cân bằng năng lượng hành tinh. Ta gọi độ

phản xạ đó của hành tinh là albedo và ký hiệu nó bởi p


• Albedo trung bình tồn cầu khoảng 30% nên chỉ 70% độ chiếu
nắng được hấp thụ bởi hệ thống khí hậu
• Bức xạ mặt trời được hấp thụ = S0 (1   p ) rp2
• Độ chiếu nắng trung bình tồn cầu tại đỉnh khí quyển khoảng 342
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
4
2
• Bức xạ phát xạ trái đất = Te 4rp


Phương trình cân bằng năng lượng
Bức xạ mặt trời hấp thụ được = Bức xạ phát xạ của Trái đất
S0
(1   p )  Te4
4
Te 

4

(S0 / 4)(1   p )


Ví dụ: Nhiệt độ phát xạ của trái đất

(1367 Wm 2 / 4)(1  0.3)
To  4
 255K  18C  34F
8
2 4
5.67 10 Wm K

Nhưng giá trị quan trắc của Ts là khoảng 15° C ???


Có gì thiếu sót
trong mơ hình câ bằng năng lượng 0-D?
 Cấu trúc thẳng đứng
Hiệu ứng “nhà kính”

 Tích lũy và vận chuyển năng lượng
Hồn lưu chung Khí quyển và Đại dương


2.5 Hiệu ứng nhà kính

• Khí quyển được giả thiết là vật đen đối với bức xạ Trái đất,
nhưng nó trong suốt đối với bức xạ mặt trời
• Bức xạ mặt trời chủ yếu là bức xạ nhìn thấy và gần hồng ngoại, còn
trái đất chủ yếu phát xạ bức xạ nhiệt hồng ngoại, nên khí quyển có
thể tác động đến bức xạ mặt trời và bức xạ trái đất rất khác nhau