Bài giảng khí hậu học và khí hậu Việt Nam Phần 1 Chương 2

PHẦN 1: 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 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

S (1 − α )π R = 4π R σ T

4

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 ngơi
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

2.1 Các tính chất của mặt trời
2.2.1 PlanetaryBảng
Motion
Khối
lượng orbit about the Sun in ellipses, which1.99
1030characterkg
The planets
havthree
8m
istics:
mean planet–Sun distance, the eccentricity,6.96
and×the
Bánthe
kính
10orientation
of the orbital plane. The mean distance from the Sun controls the amount
26
chói
3.9unit

× 10
of Độ
solar
irradiance (energy delivered per unit time per
area)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

dịng chảy


Các hành tinh trong hệ mặt trời
Bảng 2.3 Tính chất vật lý của hành tinh trong hệ mặt trời
Hành
tinh

KLg
(1026kg)

RTB
(km)

ρ
K/C đến Độ dài
Độ
Độ lệc
(g/cm3) mặt trời năm nghiêng tâm quĩ
(106km) (ngày)
(độ)
đạo

C.Kỳ
Quay
(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


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: 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 được trao đổi mà khơng 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 khơng gian

vũ trụ đến dịng năng lượng giữa mặt trời và Trái đất
{  Có thể xem khơng 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 khơng đổi

được gọi là độ trưng, hay thơng lượng dịng mặt trời
tại quyển sáng rphoto, L0 = 3.9×1026 W
|  Độ rọi hay mật độ dịng có thể được định nghĩa bởi:
Mật độ dịngphoto = Thơng lượng dịng/Diện tíchphoto =

L0
3.9 ×10 26 w
7
2
=
=
6
.
4
×
10
w
/
m
2
4πrphoto
4π[6.96 ×10 8 m]2
rphoto=6.9 x 108 m

rphoto


Bao quanh mặt trời bởi một mặt cầu bán kính d

d

•  Sd à S0:

•  Thơng lượng dịng qua mặt cầu
bán kính d bằng thơng lượng

dịng tại quyển sáng và bằng
L0 = Sd4πd2
•  Mật độ dịng 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
S0 =
=
≅ 1379 (W/m2)
2
2
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 khơng 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

Tphoto

7
−2
6
.
4
×
10
Wm
=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


2.2: Heat
absorbed
emitted by
the Earth.
•  Diện tích nhận năngFigure
lượng
mặt
trờiandbằng
diện
tích vùng khuất bóng

In orderxạ
to bằng
achieve adiện
heat balance,
the heat
flux coming from the Sun must be
•  Diện tích
phát
tích
mặt
cầu
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
khơng

phải energy
tất cảin the
bức
xạ mặt
chiếu đến
hànhAstinh
achieved
by radiating
infrared
part of trời
the electromagnetic
spectrum.
the đều
emitted by the Earth have a much longer wavelength than those received from
được radiations
hấp
thụ.
Một tỷ lệ nào đó sẽ bị phản xạ trở lại không gian vũ
the Sun, they are often termed longwave radiation while those from the Sun are called
shortwave
radiation.
Treating
the Earth
as a khơng
black body,được
the totalđưa
amount
of energy
that
trụ khơng

được
hấp
thụ
và
do
đó
vào
cân
bằng
is emitted by a 1 m surface (A↑) can be computed by Stefan-Boltzmann’s law:
năng lượng hành tinh. Ta gọi độ phản xạ đó của hành tinh(2.1)
là
A ↑= σ T
albedo và ký hiệu nó bởi αp
2

4
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 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 = S (1− α )π r 2

0

p

p

•  Độ chiếu nắng trung bình
tồn 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
2. The Energy balance, hydrological and carbon cycles
Bức xạ mặt
trời hấp thụ được = Bức xạ phát xạ của Trái đất

S0
(1 − α p ) = σTe4
4
Te =

4

(S0 / 4)(1 − α p )
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).

The temperature Te is not a real temperature
−2that could be measured somewhere on
Earth. It is only the black body temperature required to balance the solar energy input. It
can also be interpreted
occur on the Earth’s surface if it
o as the temperature that −would
8
−2 temperature
−4
were a perfect black body, there were no atmosphere, and the
was the same
at every point.

(1367 Wm / 4)(1 − 0.3)
T =4
= 255K = −18C = −34F
5.67 ×10 Wm K

2.1.2 The greenhouse effect

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

The atmosphere is nearly transparent to visible light, absorbing about
s 20% of the
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


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


Hiệu ứng nhà kính


Hiệu ứng nhà kính
•  Bức xạ sóng ngắn của mặt
trời có thể xun qua
được mái nhà bằng kính
và sưởi ẩm các vật thể và
khơng khí bên trong nhà
•  Các vật thể và khơng khí
nóng lên, phát xạ trở lại
sóng dài
•  Một lượng bức xạ sóng

dài khơng thể xun qua
được lớp kính, bị giữ lại
làm ấm thêm mơi trường
bên trong nhà
•  Đó là hiệu ứng nhà kính


Hiệu ứng nhà kính

•  Lớp khí quyển Trái đất cũng có vai trị tương tự đối với sự truyền bức
xạ như mái nhà kính
•  Hiện tượng đó được gọi là hiệu ứng nhà kính của khí quyển


S0
•  Cân bằng năng lượng tại đỉnh khí quyển:
( 1 − α p ) = σTA4 = σTe4
4
•  Cân bằng năng lượng khí quyển:

σTs4 = 2σTA4 ⇒ Ts4 = 2Te4

S0
4
4
4
4
(
1
−

α
)
+
σ
T
=
σ
T
⇒
σ
T
=
2
σ
T
•  Cân bằng năng lượng bề mặt: !
p
A
s
s
e
4