Thời tiết và khí hậu - Phần 1 Năng lượng và khối lượng - Chương 3 ppsx

Ch ơng 3
Cân bằng năng l ợng v

nhiệt độ

Sáng sớm ng y 24/10/1998, xoáy thuận nhiệt đới Mitch vừa mạnh lên th nh
một trận bÃo thực sự ở phía tây Đại Tây D ơng. Mặc dù các nh dự báo tin chắc
xoáy thuận sẽ mạnh lên tiếp v di chuyển về phía tây, song không ai biết rằng
trong ít ng y Mitch cã thÓ trë th nh mét trËn b·o tồi tệ nhất tấn công vùng Trung
Mỹ kể từ năm 1780. Mức độ phá hủy tổng cộng của nó khó m đánh giá. Con số tổn
thất sinh mạng chính xác từ bÃo Mitch sẽ không bao giờ đ ợc biết, song có lẽ đâu đó
khoảng 9 000 v 18 000 ng êi. Giã giËt cì h¬n 320 km/h v l ợng m a hơn 50 cm đÃ
l m trơ trụi nhiều l ng mạc. Nơi chịu đựng tồi tệ nhất l Honduras, hơn 20 % dân
c đất n ớc n y bỗng d ng trở th nh vô gia c . Vùng núi của Nicaragoa bị thiệt hại
đặc biệt nặng nề bởi những trận tr ợt đất phá hoại t n bạo. Một nông dân, tên l
José Morales, kể lại trải nghiệm của mình với một trong những vụ tồi tệ nhất, vụ
tr ợt đất Casitas ở tây bắc Nicaragoa: Đó l một khối cầu đất v cây cối v lập tức
tôi không còn có thể nhìn thấy nh cửa nữa (xem hình 3.1).

Hình 3.1. ảnh vệ tinh bÃo Mitch, trËn b·o t n khèc nhÊt tr n tíi Trung Mü cuèi thÕ kû 20



85


Nỗi thống khổ do bÃo Mitch vẫn tiếp tục. Các quốc gia bị hại của khu vực đÃ
phải chống chọi với nguy cơ bệnh tả, sốt rét v bệnh sốt nhiệt đới - không kể nạn
đói ho nh h nh do mùa m ng bị phá hoại. ở Hoduras khoảng 70 % mùa m ng bị
phá hoại v một tỉ lệ t ơng tự cơ sở hạ tầng giao thông bị triệt phá. Một số chuyên
gia cứu nạn đà ớc tính rằng sẽ cần 15 đến 20 năm tr ớc khi những hậu quả của

trận bÃo đ ợc khắc phục ho n to n.
Giống nh những trận bÃo mạnh khác, Mitch tr n tới một diện tích lớn hơn
một phần t triệu km2, kéo d i gần một tuần, xả xng h ng triƯu tÊn n íc m a v
giã hung dữ cuốn phăng cả những l ng mạc. Một hoạt động nh thế đòi hỏi l ợng
năng l ợng khỉng lå, v nh chóng ta ®· thÊy ë ch ơng 2, bức xạ Mặt Trời cung
cấp tất cả những năng l ợng đó. Nh ng câu chuyện ch a phải đà hết, bởi vì phần
lớn năng l ợng chứa trong khí quyển không tích lũy bằng cách hấp thụ trực tiếp
bức xạ Mặt Trời. Ng ợc lại, phần lớn năng l ợng có đ ợc một cách gián tiếp từ Mặt
Trời sau khi đà bị hấp thụ tr ớc nhất bởi bề mặt Trái Đất. Từ đây, một số quá trình
kết hợp với nhau để vận chuyển năng l ỵng hÊp thơ n y v o khÝ qun. Trong
ch ¬ng n y chóng ta xem xÐt sù vËn chun năng l ợng đó, nó cung cấp nhiên liệu
cho những hiƯn t ỵng thêi tiÕt h ng ng y v những sự kiện tai họa nh bÃo Mitch.
ảnh h ởng của khí quyển đối với bức xạ tới

Bức xạ Mặt Trời đạt tới đỉnh của khí quyển không đi qua khí quyển một cách
không bị cản trở, m ng ợc lại, bị suy yếu bởi rất nhiều quá trình. Khí quyển hấp
thụ một phần bức xạ một cách trực tiếp v do đó thu đ ợc nhiệt. Một phần khác
tiêu tán mất nh những tia yếu hơn đi ra theo nhiều h ớng khác nhau thông qua
một quá trình gọi l tán xạ. Một số bức xạ tán xạ h ớng trở lại không gian; phần
còn lại bị tán xạ h íng tíi nh l ¸nh s¸ng m chóng ta nhìn thấy từ phần bầu trời
ở xa đĩa Mặt Trời. Trong mọi tr ờng hợp, phần năng l ợng tán xạ không bị hấp thụ
bởi khí quyển v do đó không góp phần l m nóng nó.
Bức xạ tới còn lại không bị hấp thụ v tán xạ v đi qua khí quyển không bị
biến đổi, đạt tới bề mặt với t cách l bức xạ trực tiếp. Nh ng không phải tất cả
năng l ợng đạt tới bề mặt đ ợc hấp thụ. Ng ợc lại, một bộ phận bị tán xạ trở lại
v o không gian v giống nh bức xạ bị tán xạ bởi khí quyển, nó không góp phần
l m nóng h nh tinh.
Các quá trình n y - hấp thụ, tán xạ v vận chuyển bức xạ Mặt Trời - trực tiếp
ảnh h ởng tới phân bố nhiệt độ trong to n khí quyển. Chúng cũng giải thích một số
hiện t ợng khí quyển đáng quan tâm th ờng ng y nh bầu trời xanh lam trong

một ng y quang mây hay sắc đỏ của mét bi ho ng h«n. Trong mơc n y, chóng ta
khám phá những quá trình tác động tới bức xạ tới.
Hấp thụ

Các chất khí khí quyển, các hạt li ti v những giọt m a đều l m suy giảm
c ờng độ của bức xạ tới bằng hấp thụ. Điều quan träng ph¶i l u ý l hÊp thơ thĨ
hiƯn sự truyền năng l ợng cho vật hấp thụ. Sự trun n y cã hai hƯ qu¶: vËt hÊp

86




thụ nhận đ ợc năng l ợng v nóng lên, trong khi l ợng năng l ợng cung cấp cho bề
mặt bị giảm.
Các chất khí của khí quyển không phải đều hiệu quả nh nhau trong hấp thụ
ánh sáng Mặt Trời, v các b ớc sóng bức xạ khác nhau không bị hấp thụ nh nhau.
Thí dụ, bức xạ cực tím gần nh bị hấp thụ ho n to n bởi ôzôn trong bình l u quyển.
Ng ợc lại, bức xạ nhìn thấy đi qua khí quyển chỉ với một l ợng hấp thụ cực tiểu.
Điều n y có một hệ quả không phải nhỏ, bởi vì nếu nh khí quyển có khả năng hấp
thụ tất cả năng l ợng Mặt Trời đi đến, thì bầu trời sẽ tối ho n to n. Các loại ánh
sáng nhân tạo sẽ l vô ích, bởi vì bức xạ của chúng chắc chắn sÏ bÞ hÊp thơ. ChÝnh
thùc tÕ chóng ta cã thĨ nhìn thấy những khoảng cách lớn mách bảo rằng khí quyển
không phải l vật đặc biệt giỏi hấp thụ bức xạ nhìn thấy, một ấn t ợng rất đúng.
Bức xạ cận hồng ngoại, nó thể hiện gần một nửa bức xạ do Mặt Trời phát ra, bị
hấp thụ chủ yếu bëi hai chÊt khÝ trong khÝ qun - h¬i n ớc v (ở mức độ kém hơn)
cacbon điôxit. Đó l lý do vì sao ánh sáng Mặt Trời trực tiếp ở vùng hoang mạc có
cảm giác nóng nh vậy, còn bóng râm thì rất dễ chịu, trong khi sự khác biệt nhiệt
độ biểu kiến d ới ánh sáng trực tiếp v d ới bóng râm l t ơng đối nhỏ ở các vùng
ẩm. Khi độ ẩm cao, hơi n ớc hấp thụ một phần lớn bức xạ cận hồng ngoại, do đó

l m giảm l ợng năng l ợng khả năng l m nóng da chúng ta. Trong những ng y
khô, sụ thiếu hụt hơi n ớc cho phép một l ợng lớn hơn bức xạ cận hồng ngoại xuyên
qua khí quyển v l m tăng nhiệt độ da bạn.
Phản xạ v tán xạ
Phản xạ năng l ợng l một quá trình trong đó bức xạ tiếp xúc với vật n o đó
chỉ bị đổi h ớng khỏi bề mặt m không bị hấp thụ. Lý do chúng ta có thể nhìn đ ợc
l mắt ng ời có khả năng phát hiện sự tiếp nhận bức xạ nhìn thấy. Năng l ợng
nhìn thấy truyền trong tất cả các h ớng vì nó bị phản xạ khỏi các đối t ợng trong
tầm nhìn của chúng ta. Một số ánh sáng phản xạ đi tới tiếp xúc với mắt chúng ta,
mắt gửi các tín hiệu để cho các trung tâm quang học trong nÃo bộ chúng ta xử lý.
Tất cả các chất phản xạ ánh sáng nhìn thấy, nh ng với hiệu quả rất khác nhau.
Chẳng hạn, một đám tuyết t ơi phản xạ ánh sáng nhìn thấy rất hiệu quả, trong khi
một cục than chỉ phản xạ một phần nhỏ bức xạ nhìn thấy đi tới bề mặt của nó. Tỉ
phần phần trăm của ánh sáng nhìn thấy bị phản xạ bởi một vật hoặc một chất đ ợc
gọi l albeđô. Ngo i ra, các vật không phản xạ tất cả c¸c b íc sãng nh nhau. ThÝ
dơ, mét chiÕc ¸o s¬ mi sÏ cã m u xanh lam nÕu nã phản xạ hiệu quả nhất các b ớc
sóng ở vùng xanh lam của phổ.
ánh sáng có thể bị phản xạ từ một bề mặt theo hai cách khác nhau. Khi ánh
sáng chạm v o một cái g ơng, nó bị phản xạ lại nh một chùm cùng c ờng độ,
ng ời ta gọi l phản xạ g ơng. Ng ợc lại, khi một chùm bị phản xạ từ một vật
nh một số lớn các tia yếu hơn truyền trong nhiều h ớng khác nhau, ng ời ta gọi l
phản xạ tản mạn hay tán xạ. Khi tán xạ xảy ra, bạn không thể nhìn thấy ảnh
của chính mình trên bề mặt phản xạ nh bạn có thể nhìn thấy trong một chiếc
g ơng. Do đó, mặc dù một bề mặt tuyết t ơi có thể phản xạ trở lại phần lín ¸nh



87

sáng nhìn thấy đi tới nó, bạn không thể nhìn ngắm mình bằng cách nhìn v o tuyết.
Đại đa số các bề mặt tự nhiên l bề mặt phản xạ tản mạn chứ không phải l bề mặt
phản xạ g ơng.
Ngo i rất nhiều bề mặt chất rắn, các phân tử khí, các hạt li ti v những giọt
n ớc nhỏ tán xạ bức xạ. Hơn nữa, mặc dù nhiều bức xạ bị tán xạ trở lại không gian,
thì cũng nhiều bức xạ bị đổi h ớng về phía bề mặt. Năng l ợng tán xạ đạt tới bề
mặt Trái Đất do đó l bức xạ tản mạn, nó khác với bức xạ trực tiếp không tản
mạn. Hình 3.2 minh họa quá trình tán xạ v biến đổi bức xạ trực tiếp th nh bức xạ
tán xạ. Bạn có thể xét quá trình n y theo cách nh sau: tập hợp bức xạ trực tiếp l
cái tạo nên các bóng râm, còn một bề mặt trong bóng râm của bức xạ trực tiếp
không tối ho n to n, bởi vì nó đ ợc chiếu sáng bởi bức xạ tán xạ. HÃy l u ý rằng dù
đ ợc thực hiện bởi một phân tử khí, hạt li ti hay giọt n ớc, song kết quả vẫn l một
quá trình tán xạ, trong đó bức xạ bị đổi h ớng chứ không bị hấp thụ.
Các đặc tr ng của bức xạ bị tán xạ
bởi khí quyển phụ thuộc v o kích th ớc
của những tác nhân tán xạ (các phân tử
không khí hoặc các hạt lơ lửng) so với
b ớc sóng của năng l ợng điện từ đi tới.
Tồn tại ba loại tán xạ rất phổ biến: tán
xạ Rayleigh, tán xạ Mie v tán xạ không
chọn lọc.
Tán xạ Rayleigh. Các tác nhân
tán xạ bé hơn khoảng một phần m ời
b ớc sóng của bức xạ tới l m tản mát
bức xạ theo một kiểu gọi l tán xạ
Rayleigh. Tán xạ Rayleigh đ ợc thực
hiện bởi những phân tử khí riêng lẻ
trong khí quyển. Nó không tác động nh
nhau tới tất cả các b ớc sóng của bức xạ
Mặt Trời; ng ợc lại, nó thiên về phía các

b ớc sóng ngắn hơn. Tán xạ Rayleigh
đặc biệt hiệu quả đối với ánh sáng nhìn
nhìn thấy, đặc biệt với những ánh sáng

Hình 3.2. Tán xạ l quá trình trong đó một
chùm tia bức xạ bị chia th nh nhiều tia yếu
hơn định h ớng lại trong nhiỊu h íng kh¸c

cã m u nh c¸c b ớc sóng ngắn nhất, cho nên ánh sáng xanh lam bị tán xạ bởi các
phân tử không khí hiệu quả hơn ánh sáng đỏ với b ớc sóng d i hơn. Ngo i ra, tán
xạ Rayleigh l m tản mát bức xạ theo cả hai h ớng tiến lên tiếp v quay trở lại. Kết
hợp với độ hiệu quả lớn của nó khi tán xạ các b ớc sóng ngắn, đặc điểm n y dẫn
đến ba hiện t ợng lý thú: bầu trời xanh lam trong ng y quang mây, sắc xanh lam
của khí quyển khi nhìn từ khoảng không bên ngo i v sắc đỏ của những khoảnh
khắc ho ng hôn v bình minh.
Hình 3.3 minh họa tán xạ Rayleigh tạo ra một bầu trời xanh lam nh thế n o.
Khi những chùm tia bức xạ song song đi v o khí quyển, một phần ánh sáng bị đổi
88




h ớng so với h ớng ban đầu của nó. Một ng ời nhìn lên phía trên, không theo
h ớng của Mặt Trời, có thể nhìn thấy một số ánh sáng tán xạ đà bị đổi h ớng về
phía ng ời quan sát. Vì ánh sáng xanh lam thuộc loại ngắn nhất trong các b ớc
sóng nhìn thấy (v do đó dễ bị tán xạ nhất), bức xạ tán xạ chứa một tỉ phần ánh
sáng xanh cao hơn so với c¸c ¸nh s¸ng v ng, lơc hay c¸c b íc sóng d i hơn khác.
Tán xạ Rayleigh diễn ra tại mäi ®iĨm trong khÝ qun trong st v h íng năng
l ợng tới một ng ời quan sát từ tất cả các h ớng, cho nên bất kể bạn nhìn lên từ
đâu trong một ng y quang mây thì bầu trời vẫn l m u lam. Dĩ nhiên, không phải

tất cả bức xạ tới bị tán xạ trong một ng y trời quang. Thật vậy, l ợng bức xạ tán xạ
nhận đ ợc tại bề mặt trong điều kiện trời không mây th ờng bằng khoảng một
phần m ời l ợng bức xạ trực tiếp.

Hình 3.3. Bầu trời có m u lam vì các khí v hạt li ti trong khí quyển tán xạ
một phần bức xạ Mặt Trời tới theo tất cả các h ớng. Các phân tử không khí
tán xạ những b ớc sóng ngắn hơn hiệu quả hơn. Ai đó trên mặt đất nhìn lên
trời tiếp nhận ánh sáng lam, b ớc sóng ngắn nhất của phần phổ nhìn thấy

Trên Mặt Trăng, không có khí quyển, bầu trời th nh ra m u đen (hình 3.4).
Khi một ng ời quan sát nhìn về phía chân trời lên phía Mặt Trăng, không có ánh
sáng tán xạ xuống phía d ới, bởi vì không có khí quyển v bầu trời hiện ra không
khác mấy với bầu trời đêm. Tất cả những gì có thể nhìn thấy đ ợc chỉ l năng l ợng
phản xạ từ bề mặt Mặt Trăng v Trái Đất.
Cùng một quá trình dẫn tới bầu trời lam khi nhìn từ mặt đất cũng tạo nên sắc
lam của khí quyển khi nhìn từ khoảng không vũ trụ. Giống nh tán xạ h ớng tới,
tán xạ ng ợc trở lại thiên về phía các b ớc sóng xanh lam, nên bức xạ tản mát
h ớng ng ợc trở lại khoảng không cũng có m u lam.



89


Tán xạ Rayleigh còn l nguyên nhân của m u đỏ của bình minh v ho ng hôn
nh có thể thấy trên hình 3.5. Hình 3.5 cho thấy điều n y đà diễn ra nh thế n o.
Khi Mặt Trời đang ở gần chân trời, ánh sáng Mặt Trời phải đi một khoảng cách lớn
hơn qua khí quyển so với lúc giữa tr a v quÃng đ ờng xa hơn l m tăng l ợng tán
xạ Rayleigh. Vì chùm tia trực xạ phải đi quÃng đ ờng d i của nó, những b ớc sóng
ngắn nhất của bức xạ bị suy kiệt, còn các b ớc sóng d i hơn chiếm tỉ phần tăng lên

trong ánh sáng trực xạ. Bầu trời ở lân cận Mặt Trời vì thế m có sắc đỏ do các ánh
sáng lục v lam (b ớc sóng ngắn hơn) bị suy kiệt.

Hình 3.4. Cảnh Trái Đất đang lên do các du h nh gia của Apollo 11 nhìn thấy. Mặc dù ảnh
n y chụp ban ng y, Mặt Trăng không có bầu trời xanh. Đó l do ở đó không có khí quyển để
tán xạ bức xạ tới từ Mặt Trời. HÃy để ý sắc lam của Trái Đất, hệ quả của sự tán xạ Rayleigh

Tán xạ Mie. Các chuyển động thẳng đứng trong khí quyển t ơng đối mạnh
nên khí quyển luôn chứa những hạt son khí lơ lửng. Điều n y đúng không chỉ ở các
th nh phố, nơi có xu thế nồng độ ô nhiễm không khí cao hơn, m còn ở những vùng
nông thôn cách xa với các hoạt động đô thị. Các hạt son khí vi mô lớn hơn nhiều so
với các phân tử không khí v chúng tán xạ ánh sáng bằng một quá trình gọi l tán
xạ Mie. Khác với tán xạ Rayleigh, tán xạ Mie chủ yếu về phía tr ớc, chỉ l m cho
một l ợng năng l ợng t ơng đối nhỏ quay ng ợc lại khoảng không. Ngo i ra, tán xạ
Mie gần nh không có xu h ớng tán xạ bức xạ b ớc sóng ngắn nh tán xạ Rayleigh.
Do đó, v o những ng y có s ơng hay ô nhiễm cao (khi nồng độ son khí cao) bầu trời
trở nên xám, vì to n bộ phần nhìn thấy của phổ bị tán xạ một cách hiệu quả về phía
mặt đất.

Tán xạ Mie c ng l m cho b×nh minh v ho ng hôn trở nên đỏ hơn so với khi chỉ
do tán xạ Rayleigh, cho nên các đợt ô nhiễm không khí nặng dẫn tới những buổi
ho ng hôn rất ngoạn mục (hình 3.6). Các vụ cháy có thể c ng l m cho tán xạ Mie
tăng c ờng hơn nữa. C dân miền tây n ớc Mỹ tận mắt thấy đ îc hiÖn t îng n y

90




khi nhiều vụ cháy lớn thiêu trụi khắp khu vực v o mùa hè năm 2002. Nếu một vụ

cháy đủ lớn, tán xạ Mie có thể tăng lên ở những khoảng cách rộng theo chiều gió.
Thí dụ năm 1998, hỏa hoạn ở Công viên Quốc gia Yosemite l m rực đỏ bầu trời tới
tận Minneapolis, Minnesota. Các vụ phun tr o núi lửa, nh vụ lớn ở Pinatubo năm
1991, thậm chÝ cã thĨ l m thÉm m u ®á cđa bình minh v ho ng hôn trên khắp bán
cầu, vì gió trên bình l u quyển mang các son khí ®i rÊt xa ngn cđa chóng.

H×nh 3.5. B×nh minh v ho ng hôn có m u đỏ vì ánh sáng Mặt Trời đi qua quÃng đ ờng
d i hơn trong khí quyển, gây nên tán xạ mạnh, loại bỏ các b ớc sóng ngắn khỏi chùm
tia bức xạ tới. Kết quả l ánh sáng Mặt Trời chứa gần nh to n l các b ớc sóng d i (đỏ)

Hình 3.6. Tán xạ các b ớc
sóng ngắn l m tăng m u đỏ
của bình minh v ho ng hôn
trong những thời kỳ nồng độ
hạt li ti cao trong khí quyển



91


Tán xạ không chọn lọc. Các giọt n ớc trong mây lớn hơn nhiều so với những
hạt li ti lơ lửng; do đó chúng tán xạ ánh sáng theo một cách khác nữa, ít hoặc nhiều
giống nh các lăng kính. Một giọt n ớc biệt lập tác động tới các b ớc sóng khác
nhau của bức xạ Mặt Trời một cách khác nhau. Bạn nhìn thấy điều n y khi n o
bạn đ ợc chứng kiến một cầu vồng, nó l m cho từng b ớc sóng bị khúc xạ (đổi
h ớng) một l ợng khác nhau, từ đó có những băng m u riêng. Tuy nhiên, về tổng
thể mây phản xạ tất cả các b ớc sóng của bức xạ tới gần nh nhau, đó l nguyên
nhân mây th nh ra có m u trắng hoặc xám. Bởi vì không u tiên cho một b ớc sóng
cụ thể n o, sự tán xạ của mây đôi khi đ ợc gọi l tán xạ không chọn lọc.

Mây còn l tác nhân quan trọng nhất tán xạ không chọn lọc v có một ảnh
h ởng to lớn tới quá trình nhận bức xạ Mặt Trời trên to n cầu, vì nó phản xạ một
l ợng năng l ợng rất lớn trở lại khoảng không vũ trụ.
Vận chuyển

Khi bức xạ Mặt Trời đi qua khoảng chân không của không gian vũ trụ thì
không có một biến đổi n o về c ờng ®é, h íng hay b íc sãng cđa nã. Tuy nhiên, khi
nó đi v o khí quyển, chỉ có một phần bức xạ có thể đi qua không bị cản trở tới bề
mặt. Tổng l ợng biến đổi rất mạnh tùy thuộc v o những điều kiện khí quyển. Một
bầu khÝ qun trong v kh« cã thĨ trun qua tíi 80 % bức xạ Mặt Trời tới nh l
chùm bức xạ trực tiếp không bị tán xạ v hấp thụ. Đó l những gì bạn đ ợc trải
nghiệm v o một ng y trời quang, không nhiễm bẩn với những bóng râm sắc rõ nét.
Ng ợc lại, khi trời nhiều mây hay s ơng mù, chỉ một phần nhỏ bức xạ Mặt Trời đạt
tới mặt đất nh l trực xạ. Trong những điều kiện đó, tổng l ợng bức xạ đạt tới mặt
đất thì bị suy giảm, đồng thời trực xạ chuyển th nh bức xạ tản mát hay tán xạ.
Số phận của bức xạ Mặt Trời

Vì quỹ đạo Trái Đất quanh Mặt Trời không phải ho n to n tròn nên có chút ít
biến thiên mùa về l ợng bức xạ tới khả năng, năng l ợng Mặt Trời khả năng v o kỳ
cận điểm nhiều hơn khoảng 7 % so víi kú viƠn ®iĨm. BÊt chÊp sù biÕn thiên đó, sẽ
l tiện lợi nếu chúng ta coi bức xạ tới đỉnh khí quyển l không đổi v xem điều gì sẽ
xảy ra, về trung bình, với khoản năng l ợng đó. Nói cách khác, chúng ta phải tính
toán l ợng bức xạ t ơng đối truyền qua khí quyển, bị hấp thụ bởi khí quyển v mặt
đất v bị tán xạ trở lại khoảng không.
Một công việc nh thế quan trọng hơn một hoạt động kế toán đơn thuần, bởi vì
l ợng bức xạ bị hấp thụ bởi khí quyển v mặt đất sẽ ảnh h ởng lớn tới nhiệt độ của
khí quyển v mặt đất. Để đơn giản, chúng ta chấp nhận 100 đơn vị bức xạ tới có
mặt tại đỉnh khí quyển v sau đó so sánh l ợng năng l ợng tán xạ ng ợc trở lại
khoảng không v bị hấp thụ bởi khí quyển v mặt đất với 100 đơn vị đó. Luôn nhớ

rằng, những giá trị đ ợc biểu diễn trong lập luận n y l các giá trị trung bình năm
v to n cầu; nó không cần áp dụng đối với một nơi hay một thời gian n o cụ thể
(xem hình 3.7).
Về trung bình to n cầu, khí quyển hấp thụ 25 trong số 100 đơn vị hiện có tại
đỉnh khí quyển. 7 trong số 25 đơn vị l bức xạ cực tím bị hấp thụ trong bình l u
92




quyển bởi ôzôn, phần lớn còn lại l bức xạ cận hồng ngoại bị hấp thụ trong đối l u
quyển bởi các chất khí (chủ yếu hơi n ớc). Vậy phần lớn bức xạ hấp thụ bởi khí
quyển không phải l bức xạ nhìn thấy - một tình thế có lợi với chúng ta, bởi vì nếu
nh bức xạ nhìn thấy bị hấp thụ mạnh bởi khí quyển, thì chúng ta khó m nhìn
đ ợc. Phải nhận xét thêm rằng t ơng đối ít bức xạ sóng ngắn bị hấp thụ bởi mây;
ng ợc lại, mây tác động đến bức xạ tới chủ yếu thông qua sự tán xạ v phản xạ.

Hình 3.7. Bức xạ Mặt Trời tới khả năng chịu tác động của một số quá trình khi nó đi qua khí
quyển. Mây v các khí khí quyển phản xạ tuần tự 19 v 6 đơn vị trở lại khoảng không. Khí
quyển hấp thụ 25 đơn vị. Chỉ một nửa bức xạ tới khả năng tại đỉnh khí quyển thực sự đạt tới
mặt đất, từ đó 5 đơn vị nữa bị phản xạ ng ợc lại. Bức xạ ròng do mặt đất hấp thụ l 45 đơn vị

Tuy các giọt n ớc mây hấp thụ bức xạ sóng ngắn t ơng đối kém hiệu quả,
chúng tán xạ trở lại một tỉ phần lớn năng l ợng tới. Mây có albeđô cao không những
l m cho nó đ ợc nhìn thÊy râ thËm chÝ tõ trong vị trơ, m cßn l m giảm mạnh
l ợng năng l ợng khả năng l m nãng khÝ qun v bỊ mỈt. VỊ trung bình, thảm
mây to n cầu phản xạ 19 đơn vị bức xạ tới trở lại vũ trụ. Nh ng mây không phải l
tác nhân phản xạ duy nhất. Lấy trung bình to n cầu, các chất khí khí quyển v son
khí tán xạ ng ợc lại v o vũ trụ 6 trong số 100 đơn vị bức xạ tới tại đỉnh khí quyển,
trong đó tán xạ Rayleigh quan trọng hơn tán xạ Mie (bởi vì tán xạ Mie chủ yếu

h íng xuèng phÝa d íi h¬n l h íng trë lại vũ trụ). Tổng cộng, tán xạ bởi mây v
các chất khí trả lại vũ trụ 25 đơn vị (tức chúng l m cho khí quyển có albeđô =25 %).
Sau khi khí quyển hấp thụ v tán xạ, 50 đơn vị bức xạ tới có thể đạt tới bề mặt.
Nh ng không phải tất cả bức xạ đạt tới bề mặt đ ợc hấp thụ, bởi vì bề mặt Trái Đất
không phải đen tuyệt đối. Trong số 50 đơn vị xuống tới bề mặt, 5 đơn vị bị quay trở
lại khoảng không. Tổng cộng có tất cả 30 đơn vị bức xạ Mặt Trời đ ợc phát tán trở
lại vũ trơ (25 tõ khÝ qun v 5 tõ bỊ mỈt), dẫn tới một albeđô h nh tinh l 30 %.
HÃy l u ý l l ợng bức xạ tới bị phản xạ từ mặt đất hơi nhỏ hơn l ợng bị phát tán
trở lại bởi các chất khí khí quyển. Nói cách khác, khi nhìn từ vũ trụ, h nh tinh của
chúng ta sáng l nhờ phản xạ khí quyển hơn l nhờ phản xạ mặt đất.
Kết quả cuối cùng của các quá trình n y l khí quyển hấp thụ 25 đơn vị năng


93


l ợng, còn mặt đất nhận lấy 45 đơn vị. Nếu nh câu chuyện chỉ có thế, tất cả chúng
ta sẽ bị nguy to, bởi vì sự cung ứng nhiệt không đổi sẽ l m cho h nh tinh liên tục
nóng lên. Thật vậy, nếu nh nguồn năng l ợng n y đ ợc tích lũy trong một lớp v i
cm bên trên bề mặt Trái Đất, thì mặt đất sẽ bị nung nóng với tốc độ v i trăm độ
bách phân trong một ng y!
Rõ r ng chúng ta không thấy các đại d ơng bị sôi lên, m mặt đất thì cũng
không bị nóng chảy ra; vậy thì bề mặt phải không ngừng l m mất năng l ỵng. KhÝ
qun cịng thÕ, v ®èi víi to n bé hệ thống Trái Đất - khí quyển cũng thế. Nói cách
khác, trong điều kiện không có biến đổi khí hậu, thì bề mặt, khí quyển v hệ thống
h nh tinh phải l m mất nhiều năng l ợng nh chúng đà nhận đ ợc. Để đạt đ ợc sự
cân bằng năng l ợng đó, những l ợng năng l ợng khổng lồ phải đ ợc vận chuyển ra
khỏi hệ thống Trái Đất, v trong phạm vi hệ thống giữa bề mặt v khí quyển. Bây
giờ chúng ta b n đến những cơ chế liên quan tới việc duy trì cân bằng năng l ợng
của Trái Đất.

Những quá trình truyền năng l ợng giữa bề mặt v khí quyển

Khí quyển v bề mặt không ngừng trao đổi năng l ợng với nhau. Phần lớn quá
trình trao đổi năng l ợng đó đ ợc thực hiện bằng phát xạ v hấp thụ bức xạ, nh ng
các quá trình khác cũng quan trọng. Mục n y mô tả những quá trình m thông qua
chúng năng l ợng đ ợc truyền đi.
Trao đổi bức xạ bề mặt - khí quyển

Giống nh tất cả những vật thể khác có nhiệt độ nằm trong phạm vi nhiệt độ
Trái Đất, bề mặt Trái Đất v khí quyển phát năng l ợng gần nh ho n to n ë vïng
sãng d i (chđ u l nhiƯt hång ngo¹i). Mọi b n luận về vận chuyển năng l ợng
sóng d i đều có phần phức tạp hơn so với b n luận về bức xạ Mặt Trời, bởi vì năng
l ợng sóng d i không có điểm đầu hay ®iĨm ci râ rƯt.
Bøc x¹ sãng d i do bỊ mặt Trái Đất phát xạ bị hấp thụ mạnh bởi khí quyển.
Điều đó l m tăng nhiệt độ của khí qun v l m cho khÝ qun c ng ph¸t xạ nhiều
năng l ợng hơn ra ngo i khoảng không. Năng l ợng do khí quyển phát xạ đ ợc
truyền trong tất cả các h ớng, kể cả h ớng xuống phía d ới, v do đó, bề mặt nhận
đ ợc một phần đáng kể năng l ợng n y. Quá trình n y lại l m bề mặt đ ợc nung
nóng tiếp, lại dẫn tới tăng phát bức xạ sóng d i từ bề mặt, khí quyển lại thu đ ợc
nhiệt, v cứ thế tiếp diễn. Nói cách khác, có một chu trình trao đổi vô tận, trong đó
năng l ợng liên tục vận chuyển tới v lui.
Hình 3.8 mô tả l ợng bức xạ sóng d i trung bình to n cầu trao đổi giữa khí
quyển v bề mặt. Bắt đầu với bề mặt, chúng ta thấy rằng 104 đơn vị bức xạ sóng
d i đ ợc phát lên trên v o khí quyển, phần lớn nhất (100 đơn vị) bị hấp thụ bởi khí
quyển. Khí quyển trong sạch hấp thụ bức xạ nhiệt tốt hơn nhiều so với bức xạ Mặt
Trời, chính l do sự có mặt của hơi n ớc v cacbonic. Nh đà thấy trên hình 3.9, cả
hai chất khí n y đều l những vật hấp thụ tốt bức xạ sóng d i, dải hấp thụ mạnh
nằm ở phần sóng d i của phổ (xem chuyên mục 3-1: Những nguyên lý vật lý: Sự hÊp
thơ chän läc bëi h¬i n íc v khÝ cacbonic).
94

Hình 3.8. Sự di chuyển bức xạ sóng d i giữa bề mặt v khí quyển. Bề mặt
phát 104 đơn vị lên khí quyển v nhận 88 từ khí quyển, tổn thất ròng 16 đv.
Khí quyển phát 154 đơn vị v nhận 100 từ bề mặt, thiếu hụt ròng 54 đv

Hình 3.9. Bề mặt Trái Đất phát bức xạ gần giống vật đen (a), nh ng các chất khí khí quyển
hấp thụ phần lớn năng l ợng với b ớc sóng ngo i dải 8 đến 11 m. Vùng bị tô đen ở (a)
chỉ năng l ợng bị khí qun hÊp thơ. H×nh (b) biĨu diƠn hiƯu st hÊp thụ năng l ợng của
các chất khí cụ thể. Tỉ lệ của vùng tô đen chỉ phần trăm của năng l ợng sóng d i bị hấp thụ

Mặc dù hơi n íc, cacbonic v c¸c chÊt khÝ nh kÝnh kh¸c l những chất hấp
thụ tốt phần lớn các b ớc sóng của bức xạ sóng d i, một phần của phỉ sãng d i cã
thĨ ®i qua khÝ qun mét cách t ơng đối vô hại. Điều rất lý thú l , c¸c b íc sãng


95


trong dải n y, 8 đến 12 m , lại trùng hợp với các b ớc sóng m bề mặt Trái Đất
phát xạ mạnh nhất. Dải b ớc sóng không bị các chất khí khí quyển hấp thụ n y
đ ợc gọi l cửa sổ khí quyển. Không nên nghĩ rằng cửa sổ khí quyển l nơi khí
quyển không cã mét sè chÊt khÝ, nã chØ l mét d¶i b ớc sóng có tầm quan trọng đặc
biệt đối với sự cân bằng bức xạ.
Mặc dù các chất khí của khí quyển không hấp thụ hiệu quả những b ớc sãng
trong cưa sỉ khÝ qun, nh ng m©y (thËm chÝ với độ d y rất khiêm tốn) lại sẵn
s ng hấp thụ gần nh tất cả bức xạ sóng d i. Điều n y giải thích tại sao các đêm
nhiều mây không bị lạnh nhanh nh những đêm trời trong. Khi bầu trời đêm bị

phủ đầy mây, thảm mây hấp thụ một phần lớn năng l ợng m lẽ ra sẽ thoát v o vũ
trụ. Đ ợc nóng lên bởi năng l ợng đó, mây phát bức xạ sóng d i xuống phía bề mặt
v những l ợng ít hơn lên trên v o khoảng không. Nh vậy, mây có tác dụng giống
nh một tấm chăn giúp giữ nhiệt.

3-1 Những nguyên lý vật lý:
Sự hấp thụ chọn lọc của hơi n íc v khÝ
cacbonic
H¬i n íc v cacbonic l hai chÊt khÝ
quan träng nhÊt ®èi víi sù hÊp thơ sãng
d i do bề mặt phát xạ. Vì sao những chất
khí n y cã tÝnh chän läc, chóng gÇn nh
trong st đối với bức xạ sóng ngắn,
nh ng gần nh không xuyên qua đối với
sóng d i. HÃy nhớ lại từ ch ơng 2 rằng
các nguyên tử biệt lập có những trạng
thái năng l ợng gián đoạn, v chỉ có một
số trạng thái năng l ợng có thể. Khi năng
l ợng đ ợc hấp thụ v phát xạ bởi một
phân tử khí, trạng thái năng l ợng của
nó tăng v giảm những l ợng gián đoạn
từ một trạng thái cho phép tới trạng khái
khác. Chúng ta cũng đà thấy năng l ợng
liên quan tới một phôtôn bức xạ l gián
đoạn v phơ thc v o b íc sãng cđa nã.
NÕu biÕt b ớc sóng, chúng ta biết mức
năng l ợng của phôtôn.

Vì vậy, các phân tử khí buộc phải
hấp thụ chỉ những phôtôn nhất định, cụ

thể l những phôtôn n o đẩy đ ợc phân
tử tới các trạng thái năng l ợng cho phép.
Những phôtôn với giá trị năng l ợng cao
hơn hoặc thấp hơn sẽ không bị hấp thụ
m ng ợc lại, đi qua đ ợc chất khí. Bởi vì
một b ớc sóng duy nhất liên quan với mỗi
mức năng l ợng, điều n y t ơng đ ơng
với nói rằng chỉ các b ớc sóng nhất định
mới có thể bị hấp thụ bởi một chất khí cụ
thể. (Điều n y không đúng với các chất
lỏng v rắn, các phân tử của chúng t ơng
tác để hấp thụ liên tục nhiều hơn). Một
b ớc sóng cụ thể có thể bị hấp thụ hay
không tùy thuộc v o cấu trúc phân tử của
chất hấp thụ (hình dáng hình học của các
điện tử, v.v..). Nh đà thấy, các chất khí
trong khí quyển không có băng hấp thụ
mạnh ở phần phổ nhìn thấy. Nh ng mét
sè trong chóng, gåm h¬i n íc v cacbonic,
có cấu trúc phân tử cho phép hấp thụ bức
xạ sãng d i. KÕt cơc, c¸c chÊt khÝ kh¸c
nhau hÊp thụ phần lớn năng l ợng sóng
d i đi qua khí quyển.

HÃy xem lại hình 3.8. Năng l ợng khí quyển phát tổng cộng 154 đơn vị, trong
đó 88 h ớng xuống phía bề mặt v 66 phát lên khoảng không. L u ý rằng bức xạ
sóng d i bị mÊt tõ khÝ qun v ỵt tréi l ỵng m nó hấp thụ từ bề mặt. Hiệu giữa
bức xạ sóng d i bị hấp thụ v phát đi đ ợc gọi l bức xạ sóng d i thuần. Đối với

96

khí quyển, bức xạ sóng d i thuần l một số âm 54 ( 100 154 ) đơn vị. T ơng tự, bề
mặt nhận 88 đơn vị bức xạ sãng d i, nh ng l ỵng n y bÐ hơn 104 đơn vị phát đi,
vậy thiếu hụt bức xạ sóng d i thuần l 16 đơn vị.

Hình 3.10. Bức xạ thuần l kết quả cuối cùng của hấp thụ bức xạ tới v hấp thụ v phát xạ bức xạ
sóng d i. Bề mặt có một d l ợng bức xạ 29 đơn vị, còn khí quyển có thiếu hụt 29 đơn vị

Mặc dù bức xạ sóng ngắn v sóng d i đ ợc hấp thụ v phản xạ với các l ợng
khác nhau, nh ng chúng không phải l những thứ tách biệt hẳn nh l sự nung
nóng khÝ qun v sù nung nãng bỊ mỈt m chóng ta quan tâm. Khi một thứ đ ợc
hấp thụ, vật hấp thụ bị nóng lên. Vì vậy một cách tự nhiên, chúng ta kết hợp sóng
d i v sóng ngắn th nh bức xạ tổng cộng các sóng thuần, hay đơn giản l bức xạ
thuần, đ ợc định nghĩa l hiệu giữa bức xạ hấp thụ v bức xạ phát xạ, hay một
cách t ơng đ ơng, năng l ợng thuần nhận đ ợc hay bị mất đi do bức xạ.
Hình 3.10 tổng kết cân bằng bức xạ thuần đối với Trái Đất. Khí quyển hấp thụ
25 đơn vị của bức xạ Mặt Trời, nh ng chịu tổn thất thuần 54 đơn vị của bức xạ
nhiệt để dẫn đến thiếu hụt thuần 29 đơn vị. Bề mặt hấp thụ 45 đơn vị bức xạ Mặt
Trời, nh ng bị thiếu hụt sóng d i 16 đơn vị, dẫn đến d l ợng bức xạ thuần 29 đơn
vị. Nói cách khác, khí quyển có một l ợng thiếu hụt thuần về năng l ợng bức xạ
đúng bằng d l ợng m bề mặt có đ ợc.
Nếu nh bức xạ l ph ơng tiện duy nhất trao đổi năng l ợng, d l ợng năng
l ợng bức xạ nhận đ ợc bởi bề mặt sẽ dẫn tới một sự nóng lên liên tục, trong khi
thiÕu hơt cđa khÝ qun sÏ dÉn tíi sù lạnh đi vĩnh viễn. Nếu vậy thì b n chân
chúng ta sẽ bị rộp lên vì một mặt đất nóng bỏng khủng khiếp, trong khi phần còn
lại của thân thể với không khí lạnh cóng bao quanh sẽ bị đông cứng. Điều đó dĩ
nhiên đà không xảy ra, bởi vì năng l ợng đ ợc vận chuyển từ bề mặt v o khÝ qun

v trong ph¹m vi khÝ qun b»ng hai hình thức truyền nhiệt khác: truyền dẫn v



97


đối l u. Vận chuyển năng l ợng thuần bởi hai quá trình n y cho phép d l ợng bức
xạ tại bề mặt bị triệt tiêu, đồng thời bù đắp cho thâm hụt bức xạ của khí quyển.
Truyền dẫn

Sự truyền dẫn đà đ ợc mô tả khái l ợc ở ch ơng 2 đóng vai trò quan trọng
trong sự vận chuyển năng l ợng ở lân cận bề mặt. Vì năng l ợng bức xạ đ ợc hấp
thụ bởi bề mặt rắn của Trái Đất trong thời gian giữa ban ng y, mét gra®ien nhiƯt
®é (tèc ®é biÕn ®ỉi của nhiệt độ theo khoảng cách) phát triển ở lớp đất trên d y v i
xăngtimét. Nói cách khác, nhiệt độ gần bề mặt trở nên lớn hơn nhiệt độ ở một v i
xăngtimét bên d ới. Kết quả l truyền dẫn mang năng l ợng xuống phía d ới. Sự
nung nóng đất trong ng y còn tạo nên một građien nhiệt độ trong phạm vi lớp rất
mỏng của không khí cận kề bề mặt, gọi l lớp biên phân tầng. Mặc dù không khí
th ờng di động hơn v có khả năng dễ d ng bị xáo trộn, các líp rÊt máng víi ®é d y
cì v i milimÐt cản trở sự xáo trộn. Vì thế, trong thời gian giữa ban ng y građien
nhiệt độ rất mạnh có thể phát triển trong lớp biên phân tầng, thông qua đó có thể
xảy ra sự dẫn nhiệt đáng kể. Năng l ợng đ ợc dẫn qua lớp biên phân tầng sau đó
đ ợc phân phối cho phần còn lại của khí quyển bằng một quá trình xáo trộn đ ợc
gọi l sự đối l u.
Đối l u

Đối l u l một quá trình trong đó nhiệt l ợng đ ợc truyền ®i b»ng sù chun
®éng vËt thĨ cđa vËt láng - tức chất lỏng hoặc chất khí. Trái ng ợc với truyền dẫn,
đối l u liên quan tới sự di chuyển thực của các phân tử. Không giống với sự truyền

dẫn vận chuyển năng l ợng từ bề mặt v o khí quyển, đối l u l m l u thông nhiệt
l ợng n y giữa bộ phận thấp nhất v bộ phận còn lại của khí quyển. H ớng của vận
chuyển nhiệt l h ớng lên trên khi nhiệt độ bề mặt v ợt trội nhiệt độ không khí
(tình huống thông th ờng v o thời gian giữa ng y). Ban đêm, bề mặt th ờng lạnh
đi nhanh hơn so với không khí v năng l ợng đ ợc truyền h íng xng d íi. Sù ®èi
l u cã thĨ phát sinh bởi hai quá trình trong các chất lỏng: nung nãng cơc bé (®èi
l u tù do) v khy động cơ học (đối l u c ỡng bức).
Đối l u tự do. Đối l u tự do l quá trình xáo trộn liên quan tới độ nổi - xu thế
một chất lỏng nhẹ hơn nổi lên trên khi bị bao quanh bởi một chất lỏng nặng hơn.
HÃy nhớ lại những ng y thơ ấu của bạn, khi bạn muốn chọc tức cha mẹ mình bằng
cách thổi bong bóng qua cái cọng rơm trong cốc sữa. Khi không khí đ ợc thổi v o
sữa, nó phải lập tức nổi lên trên, vì nó nhẹ hơn v tạo nên sự xáo trộn rối. Đó l
biểu hiện của đối l u tự do.

Đối l u tự do (đ ợc thể hiện trong hình 3.11a) th ờng xuất hiện khi một bộ
phận không khí cục bộ bị nung nóng hơn so với không khí lân cận. Vì không khí
nóng nhẹ hơn không khí lạnh, nó có độ nổi t ơng đối v nâng lên. V o một ng y hè
ấm áp, chúng ta cã thĨ thÊy hiƯu øng cđa ®èi l u tù do bằng cách quan sát một con
chim diều hâu (hình 3.11b) bay l ợn thả mình trong không khí không vẫy cánh. Cú
bay đó l có thể bởi vì cánh có chức năng đón những luồng không khí nhẹ thăng lên
nâng con diều hâu lên. Đối l u có thể có các tác động quan trọng hơn nữa so với viÖc

98




giữ những con diều hâu trong không khí.

Hình 3.11. Đối l u (a) l một cơ chế truyền nhiệt liên quan tới sự xáo trộn của chất lỏng.

Trong đối l u tù do, nung nãng cơc bé cã thĨ l m cho một bộ phận không khí nâng lên
v đ ợc thay thế bởi không khí xung quanh. Đối l u tự do có thể tạo nên những luồng
không khí thăng giữ một con diều hâu l ợn trong không khí (b) m không cần vẫy cánh

Đối l u c ỡng bức. Đối l u c ỡng bức (còn gọi l rối cơ học) xuất hiện khi
một chất lỏng bị cuốn v o những chuyển động cuộn xoáy vô tổ chức khi nó chịu tác
động của một dòng chảy quy mô lớn. Thí dụ, khi n ớc chảy qua một kênh sông, nó
không chảy một cách đều đặn nh n ớc si rô rất đậm đặc. Ng ợc lại, dòng chảy tan
vỡ ra th nh rất nhiều cuộn xoáy. Đối l u c ỡng bức trong khí quyển đ ợc biểu diện
trên hình 3.12. Không khí chuyển động theo ph ơng ngang chịu tác động của chính
loại rối n y. Thay vì di chuyển nh một khối đồng đều, không khí bị tan vỡ th nh
rất nhiều cụm nhỏ, mỗi cụm với tốc độ v h ớng của riêng mình, cùng nhau l m
th nh dòng chảy quy mô lớn hơn. Vì ở đây có một hợp phần thẳng đứng khá mạnh
trong các chuyển động rối, nên đối l u c ỡng bức trợ giúp cho sự vận chuyển năng
l ợng từ đỉnh của lớp biên phân tầng đi lên phÝa trªn trong thêi gian ban ng y.

Nãi chung, tèc ®é giã c ng lín th× sinh ra ®èi l u c ỡng bức c ng mạnh. Rối cơ
học còn đ ợc tăng c ờng khi không khí chảy qua những bề mặt gồ ghề (thí dụ, các
khu rừng v các th nh phố) chứ không phải l những bề mặt trơn nhẵn nh các
sông băng. Đối l u tự do v c ỡng bức vận chuyển hai loại năng l ợng: nhiệt hiện
v nhiệt ẩn.

Hình 3.12. Đối l u c ỡng bức. Không
khí bị c ỡng bức xáo trộn theo ph ơng
thẳng đứng vì độ nhớt (khả năng gắn
bó víi nhau) cđa nã thÊp v giã bÞ lƯch
h íng bởi những cấu trúc bề mặt

Nhiệt hiện. Vận chuyển năng l ợng nh l nhiệt hiện thì dễ hiểu. Khi năng

99


l ợng đ ợc bổ sung cho một chất, có thể xuất hiện một sự tăng nhiệt độ m chúng
ta cảm nhận đ ợc (do đó m có thuật ngữ nhiệt hiện). Đó l cái m bạn trải nghiệm
đ ợc khi b¹n ë ngo i trêi v o mét ng y có Mặt Trời ấm áp; sự tăng nhiệt độ da của
bạn l do nhận đ ợc nhiệt hiện. Giá trị tăng nhiệt độ liên quan tới hai nhân tố,
nhân tố thứ nhất l nhiệt dung riêng, đ ợc định nghĩa l l ợng nhiệt cần thiết để
tạo ra một biến đổi nhiệt độ đà định cho một đơn vị khối l ợng của chất. Trong hệ
đơn vị SI, nhiệt dung riêng đ ợc biểu diễn bằng J/(kg.K). Nếu mọi điều kiện khác
nh nhau, thì một chất với nhiệt dung riêng cao nóng lên chậm, bởi vì đòi hỏi nhiều
năng l ợng để tạo ra một biến đổi nhiệt độ đà định. T ơng tự, nếu chấp nhận cùng
một tốc độ mất năng l ợng, thì một chất với nhiệt dung riêng cao sẽ cần thời gian
lâu hơn để bị lạnh đi.

Hình 3.13. H m l ợng nhiệt của một chÊt phơ thc v o mét sè nh©n tè. ë (a) nhập
l ợng 4190 J năng l ợng cho 1 kg n ớc l m tăng nhiệt độ 1 oC, còn nhập l ợng năng
l ợng gấp đôi l m nóng gấp đôi. Nhiệt dung riêng của một chất còn ¶nh h ëng tíi ®é
biÕn ®ỉi nhiƯt ®é tõ mét nhập l ợng năng l ợng. ở (b) sử dụng 4190 J cho 1 kg cát
l m tăng nhiệt độ lớn hơn 5 lần so với 1 kg n ớc. Khối l ợng cũng ảnh h ởng tới độ
biến đổi nhiệt độ t ơng ứng của một nhập l ợng năng l ợng cho tr ớc. HÃy l u ý ở (c)
rằng gia l ợng nhiệt độ đối với 2 kg n íc b»ng mét nưa gia l ỵng nhiƯt ®é cđa 1 kg

Gia l ỵng nhiƯt ®é do mét nhập d năng l ợng còn phụ thuộc v o khối l ợng
của chất. Không ngạc nhiên khi một nhiệt l ợng nhập v o nhất định dẫn tới tăng
nhiệt ®é rÊt nhiỊu nÕu nhiƯt l ỵng ®ã ® ỵc cung cÊp cho mét khèi l ỵng nhá. ThÝ
dơ, h·y so sánh l ợng năng l ợng cần để l m sôi một bình tr với l ợng nhiệt cần
100

®Ĩ l m nãng bån t¾m. ChØ trong Ýt phót một ngăn lửa bếp lò có thể l m cho n ớc
sẵn s ng pha tr , nh ng máy đun n ớc của bạn phải cung cấp nhiều năng l ợng
hơn cho l ợng n ớc lớn của bồn tắm. Những quan hệ n y đà đ ợc thể hiện trên
hình 3.13.
Nhiệt hiện truyền đi bằng truyền dẫn qua lớp biên phân tầng v sau đó phân
phát lên phía trên bằng đối l u. Thông qua các cơ chế n y, 8 trong số 29 đơn vị d
l ợng bức xạ thuần của bề mặt đ ợc truyền v o khí quyển, ở đây nó bù trừ cho
l ợng thâm hụt bức xạ thuần. 21 đơn vị còn lại ® ỵc ® ỵc trun v o khÝ qun
b»ng ®èi l u nhiệt d ới một dạng khác.
Nhiệt ẩn. Nhiệt ẩn l một thứ gì đó ít trực giác hơn so với nhiệt hiện. Nó l
năng l ợng cần để thay đổi pha của một chất (tức trạng thái chất l rắn, lỏng hay
khí). Trong khí t ợng học, chúng ta chủ yếu chỉ đề cập tới nhiệt l ợng liên quan tới
sự thay đổi pha của n ớc.

Nhớ lại rằng tất cả các quá trình vật lý đòi hỏi năng l ợng. Bay hơi n ớc v tan
chảy băng không phải l những ngoại lệ của quy tắc n y - đối với cả hai quá trình,
năng l ợng cần phải đ ợc cung cấp. Trong tr ờng hợp tan băng, năng l ợng đ ợc
gọi l nhiệt ẩn nóng chảy. Đối với sự thay đổi pha từ lỏng sang khí, năng l ợng đ ợc
gọi l nhiệt ẩn hóa hơi. Để hóa hơi 1 kg n ớc lỏng, cần bảy lần r ỡi năng l ợng
(2500000 J) lớn hơn tr ờng hợp l m tan chảy cùng l ợng băng nh vậy (335 000 J).
Mặc dù cả hai dạng nhiệt ẩn có thể đều quan trọng cục bộ, nh ng ở quy mô to n
cầu, thì nhiệt ẩn hóa hơi quan trọng hơn nhiều.
Khi bức xạ đ ợc nhận từ bề mặt, nó có thể l m tăng nhiƯt ®é cđa ®Êt hay n íc.
NÕu cã n íc ở bề mặt (hoặc có thể đ ợc lấy lên từ phía d ới bề mặt nhờ hệ thống rễ
cây), thì phần năng l ợng n o đó thay vì có thể bị sử dụng để l m tăng nhiệt độ bề
mặt lại có thể dùng v o l m bay hơi một phần n ớc. Điều đó l m cho nhiệt độ tăng

ít hơn so với tr ờng hợp bề mặt khô. Bạn có lẽ đà trải nghiệm đ ợc điều n y trong
khi đi bộ chân không trên một vỉa hè nóng. Nếu vỉa hè đ ợc phun n ớc, bề mặt sẽ
lạnh đi, vì năng l ợng ® ỵc lÊy tõ nỊn ®Êt v dïng cho bay hơi. L ợng năng l ợng
tiêu thụ có thể bằng 90 % của bức xạ Mặt Trời hấp thụ đối víi mét bỊ mỈt rÊt Èm.
Chóng ta sư dơng mét thí dụ quen thuộc khác để minh họa cho khái niệm
nhiệt ẩn. Tất cả chúng ta đều biết rằng ra mồ hôi l một cơ chế l m hạ nhiệt độ cơ
thể v giữ cho chúng ta không bị quá nóng. Nh ng nó hoạt động ra sao? Rõ r ng l
mồ hôi lạnh - nh ng nó nóng nh cơ thể tạo ra nó. Nguyên nhân m mồ hôi l m
mát ng ời ta l nhiệt ẩn. Khi bạn luyện tập, nhiệt l ợng đ ợc tạo ra nh một phụ
phẩm l m cho nhiệt độ cơ thể bạn tăng lên. Tuy nhiên, nếu da bạn đ ợc phủ n ớc
v n ớc đó đ ợc tự do bay hơi, thì một phần năng l ợng do cơ thể bạn sinh ra đ ợc
dùng l m bay hơi n ớc chứ không l m tăng nhiệt độ cơ thể bạn.
Năng l ợng cần để bay hơi n ớc hay tan băng đ ợc gọi l ẩn, bởi vì nó không bị
biến mất. Nó đ ợc giữ, ẩn trong khí quyển để giải phóng sau n y khi quá trình
ng ợc lại xảy ra - ng ng tụ hơi n ớc th nh những giọt mây hay s ơng lỏng. Kết
cục, sự bay hơi n ớc l m cho năng l ỵng hiƯn diƯn tiỊm t ng ë trong khÝ quyển chứ
không phải l l m nóng bề mặt. Vậy nó tác động nh một cơ chế vận chuyển năng


101


l ợng, lấy nhiệt từ bề mặt cho khí quyển. Về trung bình to n cầu, tổng l ợng năng
l ỵng trun tíi khÝ qun l nhiƯt Èn b»ng 21 đơn vị, nó l m cho nhiệt ẩn với t
cách l một ph ơng thức truyền nhiệt trở nên quan trọng hơn nhiều so với nhiệt
hiện (8 đơn vị). Có lẽ điều n y không có gì bất ngờ, nếu biết rằng h nh tinh chủ yếu
bao phủ bởi đại d ơng. Những giá trị trung bình năm của các hợp phần bức xạ
thuần, nhiệt ẩn v hiện đ ợc biểu diễn trên hình 3.14.

Hình 3.14. Cả bề mặt v khí quyển l m mất nhiều năng l ợng nh đà thu. Bề mặt có d l ợng

29 đơn vị bức xạ thuần, l ợng n y đ ợc bù trõ b»ng vËn chun nhiƯt hiƯn v Èn tíi khÝ quyển.
Khí quyển bù trừ 29 đơn vị thâm hụt bức xạ của nó bằng cách nhận nhiệt hiện v ẩn từ bề mặt

Bức xạ thuần v nhiệt độ

Cân bằng nhiệt giữa bức xạ đến v đi không chỉ l ngẫu nhiên; các định luật
vật lý chỉ ra rằng nó phải nh vậy. Để hiểu vì sao, chúng ta xem điều gì sẽ xảy ra
nếu nh Mặt Trời bỗng d ng tăng đầu ra bức xạ của nó v l m tăng nhiệt độ của
Trái Đất. Vì các vật nóng phát xạ nhiều năng l ợng hơn các vật lạnh, h nh tinh sẽ
thích ứng bằng cách phát năng l ợng sãng d i nhiỊu h¬n v o vị trơ. Khi n o năng
l ợng tới từ Mặt Trời còn v ợt trội năng l ợng do Trái Đất phát xạ, nhiệt độ to n
cầu còn tiếp tục tăng, v phát xạ v o vũ trụ sẽ tăng theo. Với thời gian, nhiệt độ
h nh tinh sẽ tăng tới điểm m tại đó năng l ợng đi ra bằng năng l ợng đi đến, v
một nhiệt độ cân bằng mới sẽ đ ợc thiết lập. Tất cả những giá trị cụ thể ở hình 3.14
sẽ thay đổi, nh ng tổng các ®Çu v o v ®Çu ra to n cÇu sÏ vÉn b»ng kh«ng.
Cø nh vËy, chóng ta b n ln về đầu ra v đầu v o trung bình năm của bức
xạ trên to n cầu. Nh ng những đ ợc v mất về năng l ợng bức xạ còn chịu trách
nhiệm về những biến thiên nhiệt độ m chúng ta quan sát đ ợc trong quá trình
một ng y. HÃy xem điều gì xảy ra trong một chu kỳ 24 giờ v o một ng y không
mây. Lúc bình minh, Mặt Trời xuất hiện ngay trên đ ờng chân trời. Vì độ cao Mặt
Trời bé, bức xạ tới đạt ®Õn bỊ mỈt u do ®é lan táa chïm tia v quÃng đ ờng d i
m các tia phải đi xuyên qua khí quyển (đà xét ở ch ơng 2). Ban tr a, Mặt Trời đạt
tới độ cao lớn nhất của mình bên trên đ ờng chân trời v bề mặt nhận đ ợc đầu v o
bức xạ Mặt Trời lín nhÊt cđa nã. Tõ tr a ®Õn ho ng hôn, độ cao Mặt Trời giảm v
bức xạ nhận giảm. Nh ng kinh nghiƯm cho chóng ta biÕt r»ng thêi gian nãng nhÊt
cđa mét ng y th êng kh«ng xt hiện v o lúc tr a; m đôi khi v o đầu buổi chiều,
102

th ờng giữa 2 v 4 giờ chiều.
Để giải thích độ trễ giữa bức xạ tới cực đại v nhiệt độ, chúng ta phải xem xét
những cơ chế truyền năng l ợng khác: bức xạ sóng d i, đối l u v trun dÉn v o
nỊn ®Êt. NhiƯt ®é bỊ mặt tăng lên chừng n o năng l ợng do bề mặt nhận lớn hơn
năng l ợng nó bị mất. Mặc dù bức xạ Mặt Trời bắt đầu giảm sau tr a, cán cân năng
l ợng bề mặt tiếp tục d cho tới cuối ng y, tại điểm đó nhiệt độ bắt đầu hạ. Chính
xác khi n o điều n y xuất hiện tùy thuộc v o những điều kiện địa ph ơng, gồm
biên độ của đ ờng cong nhiệt l ợng Mặt Trời, tốc độ gió, độ ẩm bề mặt v trữ l ợng
nhiệt v độ dẫn nhiệt của đất...
Một bức tranh t ơng tự xảy ra với tr ờng hợp năm. Bắc bán cầu có l ợng bức
xạ Mặt Trời lớn nhất, nh ng không phải l những nhiệt độ cao nhất của nó v o kỳ
hạ chí. Từ khoảng 4 đến 6 tuần sau hạ chí, l ỵng bøc x¹ tíi tiÕp tơc v ỵt tréi l ỵng
mÊt bøc x¹ sãng d i v o vị trơ. Giá trị bức xạ thuần d ơng cuối cùng dẫn tới một
sự ấm lên liên tục của bán cầu n y cho tíi mét thêi gian n o ®ã trong tháng 7 hoặc
tháng 8, khi đạt đ ợc những nhiệt độ cực đại.
Biến thiên theo vĩ độ

Sự cân bằng tổng cộng giữa bức xạ đến v đi đà thảo luận ë c¸c mơc tr íc ¸p
dơng cho h nh tinh nh một tổng thể chứ không phải cho một nơi cụ thể. Hình 3.15
cho thấy rằng sự cân bằng giữa bức xạ đến v đi biến đổi theo vĩ độ. Xét về trung
bình năm, hệ thống bề mặt Trái Đất - khí quyển nhận nhiều bức xạ hơn bị mất ở
giữa khoảng các vĩ độ 38o bắc v nam, v nó bị mất nhiều hơn nhận từ hai vĩ tuyến
đó tới các địa cực. Ranh giới giữa các vùng nhận d v thâm hụt năng l ợng bức xạ
di dịch theo mùa. Trong thời gian mùa hè Bắc bán cầu, phần lớn khu vực phía bắc
từ 15oS nhận nhiều năng l ợng bức xạ hơn bị mất. Trong thời gian mùa đông Bắc
bán cầu, phần lớn các vùng phía nam từ khoảng 15oN lấy bức xạ về nhiều hơn l
phát đi.
Nếu nh không có các quá trình khác tham gia, thì d l ợng bức xạ thuần giữa
38 bắc v nam v thâm hụt ở bên ngo i đới n y sẽ l m cho các vùng nhiệt đới v

cận nhiệt đới liên tục bị nung nóng v các vùng ngoại nhiệt đới liên tục bị lạnh đi.
Tuy nhiên, điều đó không xảy ra, bởi vì d l ợng năng l ợng tại các vĩ độ thấp đ ợc
bù trừ nhê sù di chun nhiƯt theo ph ¬ng ngang, hay b×nh l u nhiƯt, vỊ phÝa cùc.
Sù vËn chun n y đ ợc thực hiện thứ nhất bởi những hệ thèng giã to n cÇu (75 %)
v thø hai bëi các dòng chảy đại d ơng (25 %), nh đà minh họa trên hình 3.16.
o

Các hệ thống gió đ ợc hình th nh vì những l ợng năng l ợng không bằng nhau
ở những nơi khác nhau gây nên những chênh lệch áp suất. Nh chúng ta sẽ xét ở
ch ¬ng 4, kh«ng khÝ cã xu h íng di chun từ những vùng áp suất cao tới những
vùng áp suất thấp hơn v sự chuyển động của không khí đ ỵc thĨ hiƯn th nh giã
theo ph ¬ng ngang. Ngo i ra, gió thổi trên các đại d ơng tác động lôi kéo tới lớp
n ớc bề mặt v khởi động các dòng chảy chảy gần nh cùng h ớng với không khí
bên trên. Khi gió v các dòng chảy hoạt động, chúng mang theo mình nhiệt l ợng
nội tại để nhiệt đ ợc phân bố lại trên to n cÇu.


103


Hình 3.15. Các giá trị bức xạ thuần trung bình năm của khí quyển
v bề mặt kết hợp. Tại các vĩ độ lớn hơn khoảng 38o bắc v nam
có nhận d năng l ợng bức xạ. Từ các vĩ độ đó tới các cực, khí
quyển v bề mặt mất nhiều năng l ợng bức xạ hơn nhận

Hình 3.16. Ho n l u của các dòng chảy đại d ơng. Những dòng di chuyển n ớc
nóng đ ợc vẽ bằng các mũi tên đỏ, di chuyển n ớc lạnh - các mũi tên xanh

Hiệu ứng nh kính

Những quá trình t ơng tác l m nóng khí quyển th ờng đ ợc gép l¹i v gäi l
hiƯu øng nh kÝnh, tuy nÐt t ơng tự với một nh kính không phải đúng ho n
to n. C¸c nh kÝnh, nh mét nh kÝnh biểu diễn ở hình 3.17, đ ợc l m chủ yÕu tõ
104




kính, nó trong suốt đối với bức xạ sóng ngắn ®i v o, nh ng ®ơc ®èi víi bøc x¹ sóng
d i đi ra. Vì vậy, kính cho phép bức xạ đi v o nhiều hơn bức xạ thoát ra, gây nên
nhiệt độ bên trong nh cao hơn ở bên ngo i. Về ph ơng diện đó, một nh kính
t ¬ng tù nh khÝ qun - khÝ qun cịng cho phần lớn năng l ợng tới từ Mặt Trời
truyền qua, nh ng hấp thụ đại đa số bức xạ sóng d i m bề mặt phát lên trên.

Hình 3.17. Không khí bên trong nh kính nóng
hơn bên ngo i, vì kính cho bức xạ sóng ngắn đi
v o nh ng không cho bức xạ sóng d i đi ra. Nó
cũng cản trở sự vận chuyển nhiệt ra khỏi bề
mặt bằng ®èi l u. HiÖu øng sau cïng n y l m
cho tác động của nh kính khác với khí quyển.
Do đó, thuật ngữ hiệu ứng nh kính không
ho n to n phù hợp khi áp dụng cho khí quyển

Tuy nhiên, sự t ơng tự sẽ không còn nữa khi chúng ta ®Ị cËp tíi hiƯu øng ®èi
l u. Mét nh kính không chỉ l m giảm bớt thâm hụt năng l ợng bởi bức xạ sóng
d i, nó còn ngăn chặn không cho đối l u l m mất nhiệt hiện v nhiệt ẩn. Ng ợc lại,
các chất khí nh kính của khí quyển không cản trở sự vận chuyển nhiệt ẩn v hiện.
Nh vậy, sẽ l chính xác hơn nếu thuật ngữ hiệu ứng nh kính đ ợc thay bằng
hiệu ứng khí quyển.
Nếu nh khí quyển không có những chÊt khÝ nh kÝnh” hÊp thơ bøc x¹ sãng

d i đi ra, Trái Đất sẽ lạnh hơn rất nhiều về trung bình v nhiệt độ sẽ dao động rất
mạnh giữa ng y v đêm. Thật vậy, không có các khí nh kính v mây, bề mặt Trái
Đất sẽ có một nhiệt độ trung bình bằng -18 oC. Hiệu ứng nh kính giữ Trái Đất ấm
hơn do hấp thụ phần lớn bức xạ sóng d i do bề mặt phát xạ, ®ång thêi l m Êm líp
khÝ qun phÝa d íi, đến l ợt mình phát bức xạ xuống d ới. Ng y nay b¹n thÊy
ng êi ta b n luËn nhiều trong môi tr ờng truyền thông về khả năng khí hậu nóng
lên do quá trình tăng nhân tạo các khí nh kính nh cacbon điôxit v mêtan. Mặc
dù một ít nh khoa học vẫn đang nghi ngờ tăng các khí nh kính có phải l một tác
nhân l m nóng lên to n cầu hay không, nh ng tầm quan träng cđa c¸c khÝ nh
kÝnh trong khÝ hËu ng y nay l không còn b n cÃi. Chúng ta sÏ xem xÐt vÊn ®Ị biÕn
®ỉi khÝ hËu ë ch ¬ng 16.


105


Hình 3.18. Phân bố nhiệt độ không khí bề mặt trung bình tháng 1 (a),
tháng 7 (b) v hiệu nhiệt độ giữa hai tháng (c)

106




Phân bố nhiệt độ to n cầu

Một trong những hệ quả trực tiếp v hiển nhiên nhất của nhận d hay thâm
hụt bức xạ l biến đổi nhiệt độ không khí. Hình 3.18 biểu diễn phân bố nhiệt độ
không khí trung bình đối với tháng 1 v tháng 6 v chênh lệch giữa hai tháng.
Mỗi đ ờng trên các bản đồ, gọi l một đ ờng đẳng nhiệt, nối những ®iĨm

nhiƯt ®é b»ng nhau. Mét sè ®Ỉc ®iĨm vỊ nhiƯt ®é quy m« lín thĨ hiƯn rÊt râ nÐt ë
(a) v (b). Tr ớc hết, đúng nh mong đợi, nhiệt ®é cã xu h íng gi¶m vỊ phÝa cùc ë
c¶ hai bán cầu. Thứ hai, građien nhiệt độ kinh h ớng lớn nhất trong mùa đông của
bán cầu (tức l Bắc bán cầu v o tháng 1 v Nam bán cầu v o tháng 7). Các građien
cao xảy ra trong bán cầu mùa đông bởi vì cả hai yếu tố - độ cao Mặt Trời giữa tr a
v độ d i ng y, đều giảm theo vĩ độ. Trong mùa hè, các độ cao Mặt Trời giữa tr a
nhỏ hơn tại những vĩ độ cao hơn đ ợc bù lại bằng những ng y d i hơn, th nh thử
građien nhiệt độ t ơng đối yếu.
Đặc điểm thứ ba của các bản đồ l các đ ờng đẳng nhiệt di dịch về phía địa cực
trên lục địa ở bán cầu mùa hè v di dịch về phía xích đạo trong mùa đông. Nói cách
khác, các nhiệt độ trên lục địa cã xu h íng cao h¬n trong mïa hÌ so với trên các
thủy vực đại d ơng lân cận v thấp hơn trong mùa đông. Cuối cùng, Bắc bán cầu có
građien nhiệt độ trong mùa đông của nó (a) lớn hơn so với građien ở Nam bán cầu
cũng trong mùa đông của mình (b). Đó l vì Nam bán cầu có tỉ phần đại d ơng
nhiều hơn rất nhiều so với đất liền. Nh bạn thấy từ (c), các khối lục địa có biên độ
nhiệt độ năm lớn hơn nhiều so với các thủy vực đại d ơng, về nguyên nhân sẽ xét
sau trong ch ơng n y.
Những yếu tố ảnh h ởng tới nhiệt độ

Một số nhân tố địa lý nhất định ảnh h ởng tới đặc điểm nhiệt độ to n cầu. Các
nhân tố đó bao gồm vĩ độ, độ cao, các hình thế ho n l u khí quyển, các điều kiện địa
ph ơng, tính lục địa v các đặc điểm dòng chảy đại d ơng gần những vùng ven bờ.
Vĩ độ. Phần lớn mọi ng ời biết rằng, bên ngo i vùng nhiệt đới nhiệt độ trung
bình năm giảm theo vĩ độ - ông gi Noel Santa Claus sống ở Bắc cực phải có chiếc
tủ đựng quần áo phù hợp với những điều kiện cực lạnh. Vĩ độ không chỉ ảnh h ởng
tới nhiệt độ trung bình, nó còn tác động tới tình hình biến đổi mùa. Nh đà mô tả ở
ch ơng 2, độ nghiêng của trục Trái Đất ảnh h ởng tới l ợng bức xạ Mặt Trời khả
năng tại vĩ độ bất kỳ v o ng y cơ thĨ n o ®ã. Trong phạm vi vùng nhiệt đới, độ d i
ng y v độ cao Mặt Trời giữa tr a có biến thiên năm t ơng đối nhỏ, do đó, năng
l ợng nhận đ ợc biến đổi ít trong năm. Bên ngo i vùng nhiệt đới, độ cao Mặt Trời

giữa tr a có biên độ tới 47o, độ cao Mặt Trời thấp nhất trùng với thời kỳ ng y ngắn
nhất. Kết quả l , khi khoảng cách tính từ xích đạo tăng lên thì bức xạ tới khả năng
(do đó nhiệt độ) thay đổi nhiều hơn.
Độ cao. Một điểm bất kỳ trong khí qun cã ®é cao (altitude) cơ thĨ (tøc cao ®é
cđa nó bên trên mực n ớc biển). Độ cao không đồng nghĩa với mực (elevation) khoảng cách của một bề mặt đất bên trên mực n ớc biển. Thí dụ, th nh phè cơ thĨ
n o ®ã cã thĨ cã mực 1000 m bên trên mực n ớc biển, còn không khí ở 1000 m bên



107


trên th nh phố sẽ có độ cao 2000 m. Độ cao v mực cả hai đều liên quan tới vị trí
t ơng đối so với mực biển, nh ng đại l ợng thứ nhất liên quan tới các điểm trong
phạm vi khí quyển, còn đại l ợng thứ hai nói đến vị trí của một bề mặt đất.
Nh đà biểu diễn ở hình 1.9, nhiệt độ trong đối l u quyển điển hình giảm theo
độ cao bên trên mực n ớc biển. Điều đó xảy ra l vì bề mặt l nguồn cấp nhiệt trực
tiếp nguyên thủy đối với đối l u quyển, độ cao tăng lên có nghĩa khoảng cách lớn
hơn kể từ nguồn năng l ợng. Hình 3.19 biểu diễn các nhiệt độ ng y v đêm tại ba
địa điểm. Vị trí A nằm cao v i mét bên trên bề mặt tại mực biển. Vị trí B nằm ở
3000 m ngay bên trên A, còn vị trÝ C n»m ë 3000 m bªn trªn mùc biĨn nh ng chỉ
v i mét bên trên bề mặt núi.

Hình 3.19. Các hiệu ứng của mực v độ cao tới tình thế nhiệt độ ng y

108

3-2 Những nguyên lý vật lý:
Nhiệt độ cân bằng của Trái Đất
Nếu nh Trái Đất không có khí
quyển, v do đó, không có hiệu ứng nh
kính, thì nhiệt độ trung bình của h nh
tinh sẽ lạnh hơn nhiều so với gì chúng ta
đang trải nghiệm. Sử dụng các nguyên lý
đà th¶o ln, chóng ta cã thĨ dƠ d ng íc
l ợng đ ợc độ lớn của hiệu ứng nh kính.
Để l m vậy, chúng ta sẽ tính nhiệt độ cân
bằng ®èi víi mét h nh tinh kh«ng cã khÝ
qun. So sánh các nhiệt độ tính toán v
quan trắc, chúng ta sẽ xác định đ ợc tầm
quan trọng của ảnh h ởng khí quyển tới
nhiệt độ Trái Đất.
Tr ớc hết, ta chấp nhận h nh tinh
hoạt động nh một vật đen về ph ơng
diện bức xạ sóng d i, albeđô h nh tinh l
30 % v h»ng sè MỈt Trêi l 1367 W/m2.
Nếu nh Trái Đất l một đĩa phẳng
vuông góc với bức xạ tới, mỗi mét vuông
sẽ nhận đ ợc 1367 J/s. Nh ng Trái Đất
không phải l đĩa phẳng; nó l một quả
cầu có diện tích bề mặt bốn lần lớn hơn
diện tích của một đĩa cùng bán kính. Vậy
c ờng độ bức xạ lấy trung bình trên quả
cầu sẽ bằng một phần t của đĩa t ởng
t ợng. Do đó, mỗi mét vuông của Trái
Đất nhận đ ợc 1367/4 hay 341 W/m2. Vì
albeđô h nh tinh bằng 30 %, cho nên 70

% l ợng bức xạ tới n y bị hấp thụ. Nói
cách khác, bức xạ hấp thụ tỉng céng l
1367 W/m2 × 0,25 × 0,7 = 239,2 W/m2.
H nh tinh phải l m mất đúng l ợng
năng l ợng m nó nhận đ ợc v c ờng độ
bức xạ đối với một vật đen đ ợc xác định
bằng cách áp dụng định luật StefanBoltzmann. Nhớ lại định lt StefanBoltzmann ®èi víi mét vËt ®en I = σT 4 .

Tuy nhiên, chúng ta biết rằng c ờng
độ bức xạ đối với h nh tinh không có khí
quyển phải bằng 239,2 W/m2. Vì vậy,
chúng ta biến đổi ph ơng trình để giải ra
T , chứ không phải I
T

4

= I /

hay

T = (I / )

0, 25

.

Sử dụng các trị số σ = 5,67 × 10 −8 W/(m2 K4)
v I = 239,2 W/m2, tính đ ợc nhiệt độ cân
bằng l 254,9 K. Vậy nhiệt độ trung bình

của Trái Đất sẽ thấp hơn nhiều nếu
không có khí quyển.
L u ý rằng các tính toán của chúng
ta đà đơn giản hóa rất nhiều v có phần
nghi vấn. Chẳng hạn, chúng ta đà dùng
30 % l m albeđô h nh tinh, nh ng trị số
đó đà tăng lên một phần do albeđô của
khí quyển m h nh tinh t ëng t ỵng cđa
chóng ta không có. Vậy chúng ta có nên
dùng albeđô bề mặt ng y nay trong tính
toán không? Có lẽ, song albeđô bề mặt
trên Trái Đất thực lại l một phần kết
quả của nhiệt độ, chính cái m chúng ta
đang cố gắng tính! Một cách lý t ởng,
chúng ta nên xem albeđô nh mét biÕn sè
cho phÐp nã thÝch øng víi nh÷ng thay đổi
về nhiệt độ.
Chúng ta thấy rằng thậm chí một
câu hỏi ban đầu về hiệu ứng to n cầu của
các khí nh kính đà l m nảy sinh những
phiền toái không dễ gì xử lý bằng một mô
hình đơn giản. Vì vậy, không có gì ngạc
nhiên nếu các mô hình m¸y tÝnh thùc vỊ
h nh vi cđa khÝ qun l vô cùng phức
tạp, đòi hỏi những t i nguyên máy tính
khổng lồ. Tuy nhiên, các mô hình máy
tính đà trở th nh không thể thiếu đối với
công việc dự báo thêi tiÕt h ng ng y
(ch ¬ng 13) v chØ ra cho chúng ta rất
nhiều về những gì chúng ta biết về các

thay đổi khí hậu tiềm năng do hoạt động
của con ng ời (ch ơng 16).

Trong thời gian giữa ng y, vị trí A t ơng ứng với sự hấp thụ bức xạ Mặt Trời
tại bề mặt v nóng lên khi bề mặt truyền năng l ợng lên trên bằng đối l u v phát
xạ năng l ợng sóng d i. Vị trí B nằm khá xa bề mặt, thực tế không bị nóng lên. Vị
trí C mặc dù ở cùng độ cao nh B, nh ng ở gần nguồn nung nóng nguyên thủy hơn


109