Bài giảng Khí hậu học: Chương 3 – ĐH KHTN Hà Nội

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 khơng gian vũ trụ  Sự truyền bức xạ sóng dài trong khí
quyển đóng vai trị quan trọng
Q 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 khơng khí được thực hiện bởi các
phân tử gồm một phần nhỏ của khối lượng khí quyển
Sự phụ thuộc của khí hậu vào vơ 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 khơng gian
 Khi xem xét q 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 1034Js là hằng số Planck
•  Có thể mơ 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 (0.4-0.75m) và
gần hồng ngoại (0.75-5m)
• Bức xạ tử ngoại chỉ chiếm dưới 1%
• Năng lượng phát xạ của trái đất hầu như nằm trong khoảng
4200m (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
 Thơng 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 dd

0 0

Mật độ thơng lượng hay mật độ dịng (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 tồn năng lượng
 Bức xạ đi đến mơi trường có thể:
 bị hấp thụ bởi mơi trường
 bị phản xạ bởi môi trường
 truyền qua môi trường

Ei = Ea + Er + Et
 Định nghĩa
 Độ phản xạ

r = Er/Ei
 Độ hấp thụ a = Ea/Ei
 Độ truyền qua t = Et/Ei

Er
Ea

Ei

 Sự bảo toàn năng lượng : r + a +  = 1

Et


 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 xun qua đối tượng mà khơng bị biến đổi gì
cả, được gọi là sự truyền xạ hồn tồn (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

=6.6251034 Js (hằng số Planck), k=1.371023 J/K (hằng số

Boltzmann), c* = 3108 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 StefanBoltzmann là tích phân định luật Planck trên
toàn bộ tần số và trên tất cả các góc trong nửa bán cầu:

5 4
2

k
4
 B (T)d  T

*2 3
15c 
0
• 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


Minh họa sự truyền và hấp thụ bức xạ sóng dài trong khí quyển


• Bức xạ nhìn thấy vừa quá mạnh
để bị hấp thụ bởi hầu hết các khí
trong khí quyển vừa khơng đủ
mạnh để quang ly các khí này, do
đó khí quyển hầu như trong suốt
(thấu xạ) đối với nó
• Bức xạ mặt trời có các bước sóng nằm trong khoảng 0.755m,
gọi là bức xạ gần hồng ngoại, bị hấp thụ một cách yếu ớt bởi
nước, carbon dioxide, ozon, và ơxy
• Hầu hết bức xạ tử ngoại từ mặt trời có các bước sóng <0.2m bị

hấp thụ trong lớp khí quyển tầng cao do q trình quang ly và
ion hố nitơ và ôxy.
• Bức xạ ở những tần số giữa 0.20.3m bị hấp thụ bởi ozon trong
tầng bình lưu


 Phần lớn khí quyển

được cấu thành từ các
phân tử nitơ và ơxy
 Những khí quan trọng
nhất là hơi nước,
carbon dioxide và
ozon (xếp theo thứ tự)
 Một số chất khí khác
cũng đóng góp một
cách đáng kể
 Ngoại trừ đối với
vùng nằm giữa 8 và
12 m, khí quyển gần
như mờ đục đối với
bức xạ trái đất


 Các phân tử có 3

nguyên tử có hầu
hết các dải hấp
thụ
 Hơi nước hấp thụ

hồn tồn trong
dải bược sóng 5-8
m, cịn CO2 thì
trong dải > 14m
 Các bước sóng
nằm trong dải 8
m - 11 m ít bị
hấp thụ (các “cửa
sổ”)


3.6 Định luật Lambert-Bouguet-Beer: Thành lập cơng
thức dịng hấp thụ

 khơng xét sự phát xạ do khí quyển
 bỏ qua sự tán xạ và xem rằng khí quyển chỉ có thể

cho truyền qua hoặc hấp thụ bức xạ mặt trời
 xem khí quyển là một mặt phẳng song song, bỏ qua
tính chất hình cầu của quả đất
 các tính chất của khí quyển được giả thiết chỉ là hàm
của toạ độ thẳng đứng
 bức xạ mặt trời có thể được xét như một chùm tia
song song, nên chỉ cần xét một hướng của bức xạ mà
trong trường hợp này nó được đặc trưng đầy đủ bởi
góc thiên đỉnh 