Thời tiết và khí hậu - Phần 1 Năng lượng và khối lượng - Chương 2 ppt

Ch ơng 2
Bức xạ Mặt Trời v

Các mùa

Trong các ng y 5-9 tháng Giêng năm 1998, c dân của một bộ phận rộng lớn ở
miền đông n ớc Mỹ v Canađa đà gặp một sự kiện m a ảnh h ởng rất lớn tới đời
sống của họ. Không giống phần lớn những trận m a khác, những hạt m a rơi
xuống bị đông cứng ngay khi chạm tới bề mặt để tạo th nh một lớp băng phẳng,
trắng phủ d y liên tục. Băng trở nên d y tới mức l m cho c nh cây bị gẫy, tuyến
dây điện bị đứt sập v đ ờng xá không thể đi lại đ ợc. M a đóng băng trải ra rất
rộng v hủy hoại khắp nơi, l m cho h ng triƯu d©n ë New England, bang New York
v tØnh Quebek của Canađa mất điện - trong hơn hai tuần ở một số nơi. Chỉ riêng ở
Quebek, 3 triệu ng ời - 40 % dân c - bị mất điện v ớc tính thiệt hại khoảng 1 tỉ
đô la. Một trong những ng ời trong cuộc, ông Andre Champagne ở Montreal, mô tả
cảnh đó nh sau: Trời thật tối tăm, cứ nh tôi đang ở trên sao Hỏa vậy.
BÃo kéo theo rất nhiều hậu quả - tất cả đều l những hậu quả xấu. ở miền
đông nam v các bang thuộc Trung Đại Tây D ơng, m a gây nên lũ lụt rất lớn, một
phần l do dòng chảy m a trực tiếp đổ v o các sông. N ớc m a thấm v o trong các
bồn tuyết nhanh chóng bị đông cứng c ng l m căng thẳng thêm vấn đề lũ lụt. Bốn
bang phải kêu gọi trợ giúp của Cục Bảo vệ Quốc gia. Đ n gia súc bất hạnh cũng bị
liên đới, bởi vì mất điện l m cho nông dân không thể cấp n ớc uống cho đ n bò của
mình v ng nh nông nghiệp thiệt hại hơn 1 triệu đô la. Hơn 30 ng ời ở Mỹ v
Canađa bị chết vì trận bÃo.
BÃo lạnh mùa đông của tháng Giêng năm 1998 l một sự trái ng ợc rõ rệt so
với đợt bùng phát thời tiết cực đoan diễn ra ở miền bắc n ớc Mỹ v miền nam
Canađa v o các ng y 30-31 tháng 5, khi gió lốc, m a đá v sét giết hại ít nhất 17
ng ời. Những trận bÃo nh vậy, mặc dù có thể xảy ra bất kỳ thời gian n o trong
năm, nh ng th ờng phổ biến nhất v o mùa xuân. Rồi sau đó l đợt sóng nhiệt mùa
hè của tháng 6 năm 1999, nó reo rắc sự thống khổ từ miền đông Canađa cho tới các
vùng đồng bằng phía nam v phần đông nam của n ớc Mỹ. Hơn 250 ng ời thiệt

mạng ở khắp n ớc Mỹ trong thời kỳ hai tuần.
Nh các thí dụ n y cho thấy, nhiều loại thời tiết cực đoan có thể reo rắc t n
phá, song mỗi loại có vẻ nh xuất hiện nhiều hơn v o một thời gian cụ thể n o đó
của năm. Thậm chí ch a có thời tiết cực đoan thì đời sống của chúng ta đà đang bị
ảnh h ởng nhiều bởi chu trình mùa xảy ra mỗi năm. Mặc dù những thay đổi các
mùa quan trọng đối với hoạt động h ng ng y, nhiỊu ng êi trong chóng ta ch a thật
sự hiểu cái gì gây nên các mùa. Trong nhiều tr ờng hợp, chúng ta nghĩ sai lầm



51


rằng chúng ta biết nguyên nhân. Thí dụ, nhiều ng ời tin rằng những thay đổi về
khoảng cách giữa Trái Đất v Mặt Trời chịu trách nhiệm về những thay ®ỉi cđa c¸c
mïa, r»ng mïa hÌ diƠn ra khi Tr¸i Đất v Mặt Trời ở gần nhau nhất. Nh ng Trái
Đất v Mặt Trời ở gần nhau nhất v o khoảng ng y 3 tháng Giêng - v o giữa mùa
đông ở Bắc bán cầu! Cũng nh vậy, Mặt Trời ở xa Trái Đất nhất v o ng y 3 tháng
7, thời gian m c dân Bắc bán cầu không liên quan với mùa đông, m với những
ng y d i v nóng lực, với cuộc dà ngoại với thịt n ớng ngo i trời v pháo hoa. Vậy ở
đây rõ r ng l phải có một cách giải thích khác. Trong ch ơng n y, chúng tôi sẽ mô
tả chính xác quỹ đạo Trái Đất quanh Mặt Trời tạo ra các mùa của chúng ta ra sao.
Chúng tôi bắt đầu bằng một số điều cơ bản.
Năng l ợng
Năng l ợng theo truyền thống đ ợc định nghĩa l khả năng thực hiện công.
Định nghĩa n y không ho n to n chính xác v nó lại l m nảy sinh những câu hỏi
(Công l gì?), song không thể l m gì khá hơn trong v i lời đ ợc. Thay vì lang thang
quá xa đi tìm một định nghĩa chÝnh x¸c, chóng ta sÏ thõa nhËn mäi ng êi đều ít
nhất có một ý niệm mang máng về năng l ợng nh một tác nhân có khả năng l m
cho mét vËt chun ®éng, l m nãng mét chiÕc ấm đun n ớc, hay nói cách khác, biểu

hiện chính mình trong các sự kiện h ng ng y. Đơn vị chuẩn của năng l ợng trong
Hệ Quốc tế (SI) dïng trong c¸c øng dơng khoa häc l jun (ký hiệu bằng J). Mặc dù
các sinh viên có thể quen hơn với calo nh l đơn vị của năng l ợng, nh ng trong
ngữ cảnh n y thì jun hay hơn (1 J = 0,239 calo). Một thuật ngữ liên quan, công, l
tốc độ m năng l ợng đ ợc giải phóng, truyền đi, hay đ ợc nhận. Đơn vị của công l
wat (W), nó t ơng ứng với 1 J trong 1 giây.
Thậm chí một hoạt động đơn giản nhất đòi hỏi sự truyền năng l ợng. Thật vậy,
trong khi bạn đang đọc những từ n y, thì sự truyền năng l ợng đang diễn ra khi
năng l ợng hóa học từ thức ăn m bạn đà ăn, đ ợc chuyển hóa th nh động năng
(năng l ợng của chuyển động) cần thiết để di chuyển mắt bạn qua những dòng chữ.
Nh ng cơ thể bạn, giống nh một chiếc máy bất kỳ khác, không ho n to n ho n
hảo, nó l m mất một số năng l ợng nhiệt (nhiệt l ợng) khi năng l ợng hóa học đ ợc
chuyển hóa th nh động năng. Vậy các cơ của mắt bạn l m mất nhiệt khi chúng co
v giÃn.
Khái niệm n y đ ợc áp dụng v o khí quyển của chúng ta. Khoảng 2 phần tỉ
của năng l ợng do Mặt Trời phát ra đ ợc truyền cho Trái Đất nh l bức xạ điện
từ, một phần trong số đó đ ợc hấp thụ trực tiếp bởi khí quyển v bề mặt. Bức xạ đó
cung cấp năng l ợng cho chuyển động của khí quyển, sự lớn lên của thực vật, bay
hơi n ớc v vô số những hoạt động khác.
Các loại năng l ợng
Năng l ỵng cã thĨ biĨu hiƯn trong rÊt nhiỊu d¹ng. Chóng ta hay nói về năng
l ợng bức xạ, năng l ợng điện, năng l ợng hạt nhân v năng l ợng hóa học; nh ng
một cách chính xác, tất cả các dạng của năng l ợng thuộc về các phạm trù chung
động năng v thế năng. Điều n y đ ợc minh họa trên hình 2.1.
52




Động năng có thể xem nh năng l ợng đ ợc sử dụng v th ờng đ ợc mô tả nh

l năng l ợng của chuyển động. Chuyển động có thể tồn tại ở quy mô lớn nh trong
chuyển động của vật từ nơi n y đến nơi khác. Những thí dụ xảy ra trong tự nhiên
bao gồm các hạt m a rơi (hình 2.2a), n ớc chảy qua một con kênh v các hạt bụi
mang đi trong gió. Chuyển động của động năng cũng có thể diễn ra ở một quy mô
nhỏ nh trong tr ờng hợp rung động hoặc xoay của phân tử (đ ợc minh họa trên
hình 2.2b). Một vật rắn có thể t ởng nh đứng yên, nh ng các phân tử của nó đang
thực hiện một số rung động.

Hình 2.1. Năng l ợng có một số dạng khác nhau, song mỗi dạng lại thuộc v o loại động năng
(năng l ợng của chuyển động) hoặc thế năng

Ng ợc lại, các phân tử chất khí v chất lỏng không cố định trong không gian,
m di chuyển qua lại một cách ngẫu nhiên (hình 2.3). Trong các chất rắn, chất lỏng
hoặc chất khí, tốc độ rung động hoặc chuyển động ngẫu nhiên quyết định nhiệt độ
của vật.



53


Nếu động năng l năng l ợng đ ợc sử dụng, thì thế năng l năng l ợng còn
ch a đ ợc sử dụng. Thế năng có thể có nhiều dạng. Thí dụ, cacbohyđrat của một
thực vật có thế năng có thể đ ợc tiêu thụ bởi các động vật (hoặc bởi chính thực vật)
v sau đó đ ợc đồng hóa để thu năng l ợng cần thiết cho tất cả hoạt động sinh học
của nó. Khi cơ thể chúng ta đồng hóa thức ăn l chúng ta đang sử dụng thế năng
đó, chuyển hóa nó th nh động năng v giải phóng nhiệt l ợng nh một phụ phẩm.

Hình 2.2. Động năng có thể xuất hiện khi chuyển động liên quan với các
vật chuyển động, nh hạt m a rơi trong (a) hoặc sự rung v xoay của phân

tử n ớc (b). Tốc độ rung hoặc xoay c ng lớn thì nhiệt độ của vật c ng cao

Hình 2.3. Các phân tử khí không gắn bó
với nhau nh các phân tử chất rắn v
lỏng v di chuyển một cách ngẫu nhiên

Một dạng khác của thế năng sinh ra từ
vị trí của vật. Thí dụ, xét một hạt mây
đang chiếm một vị trí n o đó bên trên bề
mặt Trái Đất. Giống nh tất cả các vật
khác, hạt mây chịu tác động của trọng lực.
Khi rơi xuống phía mặt đất, thế năng của
nó đ ợc chuyển th nh động năng. Râ r ng,
mùc cđa h¹t m a c ng cao, khoảng cách có
thể rơi c ng lớn v thế năng của nó c ng
lớn. Điều rất quan trọng l phải thấy rằng
hạt m a không đi lên đ ợc độ cao của nó
bằng sức mạnh siêu nhiên, bởi vì một năng
l ợng đà đ ợc sử dụng để nâng khối l ợng
của nó lên vị trí ban đầu.

Những cơ chế truyền năng l ợng
Truyền dẫn. Năng l ợng có thể đ ợc truyền từ một nơi đến nơi khác bằng ba
quá trình: truyền dẫn, đối l u v phát xạ. Trun dÉn l sù di chun nhiƯt l ỵng
qua mét vật không có sự di chuyển của các phân tử trong h ớng truyền nhiệt. Một
thí dụ đơn giản nhất l thanh kim loại với một đầu đ ợc đặt bên trên lò lửa. Phần

54

thanh kim loại bên trên ngọn lửa đ ợc nung nóng v các phân tử ở đó nhận năng
l ợng. Một phần năng l ợng đó truyền cho các phân tử láng giềng, những phân tử
n y về phần mình lại truyền nhiệt l ợng cho các phân tử bên cạnh. (Cơ chế chính
xác của truyền phân tử tùy thuộc v o chất - trong các kim loại nó chủ yếu đ ợc
thực hiện bởi các điện tử.) Quá trình n y diƠn ra ë kh¾p chiỊu d i cđa thanh, cho
nên sau một thời gian ngắn to n bộ thanh kim loại trở nên rất nóng. Sự truyền
nhiệt từ phần nóng hơn tới phần lạnh hơn của thanh l truyền dẫn. L u ý rằng
mặc dù nhiệt đi qua thanh kim loại, nh ng các phân tử của thanh kim loại không
di chuyển. Sự truyền dẫn hiệu quả nhất trong các vật liệu rắn, nh ng nh sẽ thấy ở
ch ơng 3, nó cũng l một quá trình quan trọng trong một lớp không khí rất mỏng
gần bề mặt Trái Đất.
Đối l u. Truyền nhiệt bằng sự xáo trộn của chất lỏng gọi l đối l u. Khác với
truyền dẫn, đối l u đ ợc thực hiện bởi sự di dời (chuyển động) của môi tr ờng. Bạn
có thể quan sát quá trình n y bằng cách nhìn một bình n ớc sôi trên bếp lò. N ớc ở
đáy bình nằm gần nguồn năng l ợng nhất nên bị nãng lªn nhanh nhÊt. Khi nãng
lªn n íc në ra, trở nên kém đậm đặc hơn v nổi lên bề mặt. N ớc nổi lên dĩ nhiên
phải đ ợc thay thÕ bëi n íc tõ phÝa trªn, cho nªn n ớc ban đầu ở bề mặt chìm
xuống đáy bình. Những chuyển động nổi lên v chìm xuống n y gây nên sự di
chuyển nhanh không chỉ của khối l ợng m cả năng l ợng nhiệt chứa trong n ớc
chu chuyển.
Đối l u trong khí quyển không khác nhiều với đối l u ở trong một bình n ớc
sôi. Trong thêi gian ban ng y, sù nung nãng cđa bỊ mặt Trái Đất l m nóng một lớp
không khí rất máng (®é d y cì 1 mm) tiÕp xóc víi bề mặt. Bên trên lớp phân tầng
mỏng n y, không khÝ bÞ l m nãng tõ phÝa d íi në ra v nổi lên phía trên nhờ độ
nổi vốn có cđa kh«ng khÝ nãng (xu thÕ cđa mét vËt láng nhẹ (chất lỏng hay chất
khí) nổi lên trên khi bị bao quanh bởi một chất lỏng nặng hơn). Khác với n íc trong
mét chiÕc b×nh, khÝ qun cã thĨ thùc hiện đối l u ngay cả khi không có độ nổi
thông qua một quá trình đ ợc gọi l đối l u c ỡng bức, sự xáo trộn thẳng đứng diễn

ra khi gió thổi. Những quá trình n y đ ợc thảo luận chi tiết hơn ở ch ơng 3.
Bức xạ. Trong số ba cơ chế truyền năng l ợng thì bức xạ l một cơ chế duy
nhất có thể phát triển không cần một môi tr ờng truyền. Nói cách khác, không
giống với truyền dẫn v đối l u, truyền năng l ợng bằng bức xạ có thể xảy ra qua
không gian rỗng. Thực tế tất cả năng l ợng có trên Trái Đất bắt nguồn từ ngôi sao
lân cận (theo ngôn từ thiên văn học) m chúng ta gọi l Mặt Trời, một th nh viên
của Ngân H (hình 2.4). Khí quyển còn có những nguồn năng l ợng khác: những
l ợng bức xạ nhỏ bé nhận đ ợc từ h ng tỉ ngôi sao khác trong vũ trụ v một ít năng
l ợng đạt tới bề mặt từ trong lòng Trái Đất. Tuy nhiên, sự đóng góp của những
nguồn đó vô cùng nhỏ bé so với năng l ợng nhận đ ợc từ Mặt Trời.
Bây giờ chúng ta xem xét các đặc điểm của bức xạ v cái cách m sự định
h ớng của Trái Đất ảnh h ởng tới bức xạ nhận đ ợc. Những biến thiên theo không
gian v theo mùa trong quá trình thu nhận năng l ợng Mặt Trời không chỉ l
những gì trừu t ợng đơn thuần, m l lực điều khiển của thực tế tất cả các quá



55


trình đ ợc xét ở phần còn lại của cuốn sách n y.
Bức xạ
Bức xạ đ ợc phát ra bởi tất cả các vật. Vậy mọi thứ - kể cả các vì sao, Trái Đất,
bản thân chúng ta v cuốn sách n y - đang không ngừng phát ra năng l ợng điện
từ. Tất cả chúng ta đều quen thuộc với năng l ợng điện từ d ới nhiều hình thức của
nó. Chúng ta nhìn thấy môi tr ờng xung quanh nhờ một kiểu bức xạ nhất định m
chúng ta gọi l những va chạm ánh sáng nhìn thấy lên mắt mình, sau đó nó gửi các
tín hiệu tới thần kinh để tạo ra các ảnh thấy đ ợc. Một kiểu năng l ợng điện từ
khác đ ợc dùng khi chúng ta l m nóng bữa ăn trong một lò vi sóng; bức xạ kích
thích rung các phân tử của thức ăn v do đó l m tăng nhiệt độ của nó. Những kiểu

bức xạ khác có thể ít ích lợi hơn hay thậm chí có hại, nh bức xạ cực tím, nó có thể
dẫn tới bỏng da, các loại bệnh v thậm chí cái chết. Mặc dù các kiểu bức xạ khác
nhau có những tác động khác nhau, tất cả rất giống nhau ở chỗ chúng đ ợc truyền
đi nh một loạt các sóng.

Hình 2.4. Hệ Mặt Trời l một bộ phận của Ngân H , một thiên h điển hình chứa hơn
100 tỉ ngôi sao. (a) Bức vẽ nghệ thuật. (b) ảnh hồng ngoại góc rộng về dải Ngân H

HÃy so sánh với sóng do một hòn đá ném v o bể n ớc tạo ra. Sóng đ ợc thể
hiện bằng một dao động ở bề mặt n ớc với những đỉnh (các điểm cao trên mặt dậy
sóng) v chân (các điểm thấp). Khi bạn quan sát sự nâng lên v hạ xuống đều đặn
của bề mặt lúc sóng đi qua, bạn biết năng l ợng đang đ ợc truyền đi. Trong tr ờng
hợp với bức xạ, các sóng l những dao động điện v từ. Có nghĩa bức xạ bao gồm
một sóng điện v một sóng từ. Bằng những thiết bị phù hợp, chúng ta có thể phát
hiện những biến thiên điện v từ ấy - từ đó m có thuật ngữ bức xạ điện từ. Khi
một vật phát ra bức xạ, cả điện tr ờng v từ tr ờng đ ợc phát ra ngo i. Tại một
điểm cố định trong không gian, c ờng độ của cả hai tr ờng tăng v giảm một cách
nhịp nh ng, do đó tạo th nh các sóng điện v từ, mỗi sóng có hình dạng đỉnh tới
chân của riêng mình. Các sóng điện v từ vuông góc với nhau, nh biĨu diƠn trªn
56




hình 2.5. Điều quan trọng hơn l các hợp phần điện v từ luôn sóng đôi với nhau cả hai tăng v giảm một cách hòa hợp.
L ợng v chất của bức xạ
Để mô tả bức xạ điện từ một cách đầy đủ, chúng tôi cần cung cấp một số thông
tin về l ợng năng l ợng truyền đi (số l ợng) v kiểu, hay chất l ợng của năng
l ợng. Điều n y t ơng tự nh khi mô tả trọng l ợng của ai đó, chúng ta có thể nói
ra số l ợng th nh cân v chỉ ra chất l ợng nếu dùng các từ nh rất nhẽo. Trong

tr ờng hợp bức xạ, l ợng liên quan với độ cao của sóng, hay biên độ của nó. Nếu
mọi thứ khác nh nhau, l ợng năng l ợng mang đi trực tiếp tỷ lệ với biên độ sóng.

Hình 2.5. Bức xạ điện từ gồm một sóng điện (E)
v một sóng từ (M). Khi bức xạ truyền đi, các
sóng di chun trong h íng biĨu diƠn b»ng
mịi tªn d i (gạch nối). Các sóng ở (a) v (b) có
cùng biên độ nên c ờng độ bức xạ nh nhau.
Tuy nhiên, (a) có b ớc sóng ngắn hơn, nên nó
khác vỊ chÊt so víi (b). Tïy thc v o c¸c b ớc
sóng chính xác đ ợc xét, bức xạ ở (a) cã thĨ ®i
qua khÝ qun, trong khi ë (b) có thể bị hấp thụ

L ợng hay kiểu của bức xạ liên quan tới một tính chất khác của sóng khoảng cách giữa các đỉnh sóng. Hình 2.5 biểu diễn các sóng điện từ di chuyển
trong cùng một h ớng. Tất cả có cùng một biên độ, nh ng khoảng cách giữa các
đỉnh sóng riêng rẽ l nhỏ hơn đối với sóng đ ợc vẽ ở bên trên. Do đó, sóng bên trên
có b ớc sóng ngắn hơn, b ớc sóng l khoảng cách giữa hai điểm t ơng ứng bất kỳ
(đỉnh đến đỉnh, chân đến chân, v.v..). Vì b ớc sóng của nó ngắn hơn, sóng ở hình
2.5a khác vỊ chÊt v cã thĨ t¹o ra mét sè hiƯu ứng so với sóng ở hình 2.5b. Thí dụ,
bức xạ tia X cã mét b íc sãng cùc ng¾n v nó có thể xuyên qua các mô tế b o mềm.
Ng ợc lại, ánh sáng bình th ờng có một b ớc sóng d i hơn, thì bị hấp thụ bởi da. So
sánh với những vật thể th ờng ng y, thì bức xạ m chúng ta quan tâm ở đây có
những b ớc sóng rất nhỏ. Vì vậy, để cho tiện lợi, ng ời ta xác định các b ớc sóng
bằng những đơn vị đo rất nhỏ gọi l micrômét (hoặc micrôn) 1 micrômét - ký hiệu
l
m - bằng một phần triệu của 1 mét hay một phần nghìn của 1 mm.
Tất cả các dạng của bức xạ điện từ, bất chấp b ớc sóng, di chuyển đi trong
không gian với tốc độ của ánh sáng, bằng khoảng 300 000 km/s. Với tốc độ n y, cần
8 phút để năng l ợng từ Mặt Trời đạt tới Trái Đất. Năng l ợng nhận đ ợc từ những
vì sao khác, xa cách hơn, cần thời gian lâu hơn để tới đ ợc Trái Đất. Thí dụ, bức xạ

57


từ vì sao gần nhất tiếp theo, sao Proxima Centauri, phải du ngoạn trong không
gian 4,3 năm tr ớc khi tới đ ợc với chúng ta. Mặc dù có vẻ nh ®ã l mét qu·ng
thêi gian d i, song cịng chỉ l rất nhỏ bé so với những tỉ năm cần thiết để ánh sáng
từ một ngôi sao xa đến đ ợc với Trái Đất.
Năng l ợng điện từ có vô v n các b ớc sóng, nh ng chúng ta có thể l m đơn
giản hóa vấn đề bằng cách phân loại các b ớc sóng th nh một số băng riêng rẽ nh
trên hình 2.6 v bảng 2.1. Băng với các b ớc sóng ngắn nhất gồm các tia Gama với
b ớc sóng cực đại bằng 0,0001 m . Các băng b ớc sóng d i hơn, liỊn sau bao gåm
c¸c tia X, tia cùc tÝm (UV), ánh sáng nhìn thấy, ánh sáng cận hồng ngoại (NR),
hồng ngoại nhiệt (IR), vi sóng v các sóng vô tuyến. L u ý rằng không có gì l độc
đáo hay đặc biệt về phần nhìn thấy của phổ điện từ n y ngo i mét thùc tÕ l m¾t v
hƯ thần kinh của chúng ta đà tiến hóa để có thể cảm nhận đ ợc loại năng l ợng
n y. Ngoại trừ các b ớc sóng của mình, những tia nhìn thấy cũng giống nh một
dạng bất kỳ khác của năng l ợng điện từ.

Hình 2.6. Năng l ợng điện từ có thể phân loại theo b ớc sóng

C ờng độ v b ớc sóng của bức xạ

Tất cả các vật phát ra năng l ợng, không chỉ tại một b ớc sóng đơn m trên
một khoảng rộng các b ớc sóng khác nhau. Hình 2.7a vẽ c ờng độ của bức xạ đ ợc
phát ra tại tất cả các b ớc sóng trong mỗi giây bởi một mét vuông bề mặt của Mặt
Trời (trên) v của Trái Đất (d íi). Chóng ta cã thĨ dƠ d ng thÊy r»ng một đơn vị
58

diện tích trên Mặt Trời phát ra bức xạ lớn hơn nhiều (khoảng 160 000 lần) so với
cùng diện tích ấy trên Trái Đất (chú ý rằng đ ờng cong biểu diễn phát xạ Trái Đất
đà đ ợc phóng đại thùc sù rÊt nhiỊu - nÕu nh vÏ víi tØ lệ thực, thì nó quá bé không
nhìn thấy). Hình dáng cđa ® êng cong biĨu diƠn c êng ®é cđa năng l ợng do Trái
Đất phát ra tại những b ớc sóng khác nhau (hình 2.7b) t ơng tự nh của Mặt Trời,
nh ng tổng năng l ợng đ ợc giải phóng nhỏ hơn nhiều, còn đỉnh của đ ờng cong
t ¬ng øng víi mét b íc sãng d i hơn.
Bảng 2.1. Các cấp b ớc sóng
Kiểu năng l ợng
Gama
Tia X
Cực tím
Nhìn thấy
Cận hồng ngoại
Hồng ngoại nhiệt
Vi sóng
Vô tuyến

B ớc sãng ( μ m)
<0,0001
0,0001 ®Õn 0,01
0,01 ®Õn 0,4
0,4 ®Õn 0,7
0,7 ®Õn 4,0
4,0 ®Õn 100
100 ®Õn 1 000 000 (1 m)

>1 000 000 (1 m)

Hình 2.7. Năng l ợng phát ra của các
chất có dải b ớc sóng rộng. Do nhiệt
độ cao hơn, phát xạ từ một đơn vị diện
tích Mặt Trời (a) 160000 lần mạnh hơn
phát xạ của cùng diện tích trên Trái Đất
(b). Bức xạ của Mặt Trời cấu tạo từ các
b ớc sóng ngắn hơn của Trái Đất

Dĩ nhiên, l ợng bức xạ phát ra v các b ớc sóng không phải l kết quả của sự
ngẫu nhiên đơn thuần; các đặc tr ng đó tuân theo một số định luật vật lý cơ bản.
Nói một cách chính xác, các định luật đó chỉ áp dụng cho những vật phát xạ lý


59


t ởng, gọi l các vật đen. Các vật đen l những vật thuần túy giả thuyết - chúng
không tồn tại tự nhiên - chúng phát bức xạ cực đại có thể tại từng b ớc sóng. Trái
Đất v Mặt Trời gần giống các vật đen v do đó, gần tuân theo các định luật sắp
đ ợc mô tả d ới đây. Những vật liệu khác có thể hoặc không thể l các vật đen xấp
xỉ. Cụ thể, khí quyển, cấu tạo từ các khí, đặc biệt khác xa với một vật đen, nên
chúng ta sẽ không xem nó nh một vật đen.

sự sôi của n ớc.

2-1 Những nguyên lý vật lý:
Ba thang nhiệt độ

Tất cả chúng ta quen thuộc với các
thang nhiệt độ Fahrenheit v Celsius
(hay bách phân). Tuy rÊt cã Ých trong øng
dông h ng ng y, song cả hai thang n y
có một nh ợc điểm nghiêm trọng - chúng
cho phép các giá trị âm. Các đơn vị đo
khác thì không nh vậy. Thí dụ, những
tòa nh không có độ cao v trọng l ợng
âm, chiếc xe không chạy với tốc độ âm v
trẻ em không có tuổi âm. Nh ng sự tồn
tại các nhiệt độ âm gây ấn t ợng rằng các
chất có thể có h m l ợng nhiệt âm - một
tình huống không thể có về ph ơng diện
vật lý. Để khắc phục vấn ®Ị n y, c¸c nh
khoa häc sư dơng mét thang khác để đo
nhiệt độ, gọi l thang Kelvin. Trong hệ
thống n y, nhiƯt ®é 0 K l nhiƯt ®é thÊp
nhÊt cã thĨ, nã cã thĨ tån t¹i trong vị trơ
(thËm chÝ ë Wisconsin!). (L u ý r»ng
chóng ta bá ®i ký hiƯu ®é víi thang n y
v trùc tiÕp ®äc sè kelvin, *K). Mét nhiƯt
®é 0 K h m ý rằng không không có
chuyển động rung phân tử v do đó,
không thể có các nhiệt độ d ới không tồn
tại với thang n y.

Mặc dù thang Fahrenheit đà bị bỏ ở
Canađa v hầu khắp các n ớc khác trên
thế giới, nh ng ở Mỹ nó vẫn l thang
đ ợc dùng rộng rÃi.

Thang đo nhiệt độ quen thuộc khác
l thang Celssius, gọi theo tên của ng ời
sáng lập, Anders Celsius, v o năm 1742.
Thang Celsius gán các trị số 0o v 100o
cho điểm đóng băng v điểm sôi của n ớc,
cho nên chỉ có 100 độ Celsius giữa hai
điểm. Điều đó có nghĩa rằng một độ
Celsius lớn hơn một độ Fahrenheit. Thí
dụ, thay đổi 2 oC lớn hơn thay đổi 2 oF.
Tuy nhiên, điều đó không có nghĩa nói
một nhiệt độ biểu diễn bằng oC luôn cao
hơn so với cùng nhiệt ®é ®ã biĨu diƠn
b»ng oF; nã cã thĨ cao h¬n hoặc thấp hơn.
Để chuyển đổi từ oC sang oF, chúng ta
dïng c«ng thøc sau:
o

F = 9 / 5 ( o C + 32 ) .

Để chuyển đổi từ oF sang oC, ta dïng
o

C = 5 / 9 ( o F − 32 ) .

Fahrenheit v Celsius
Mét thêi gian, thang nhiÖt độ đ ợc
dùng trên to n thế giới l
thang
Fahrenheit. Đ ợc Gabriel Fahrenheit
phát minh v o đầu những năm 1700,

thang n y gán các trị số 32o v 212o cho
điểm đóng băng v điểm sôi của n ớc. Có
180 độ Fahrenheit giữa sự đóng băng v

60

Hình 1. Các thang nhiệt ®é Kelvin, Celsius v
Fahrenheit




Bạn có thể sử dụng những công thức
o

o

n y để kiÓm tra thÊy − 40 F = −40 C .

0 K sÏ t ¬ng øng víi − 273,16 o C . Vì vậy,
chuyển đổi từ oC sang K rất đơn gi¶n:

Kelvin

o

K = C + 273,16 .

Thang Kelvin thùc ra l cải biên của
thang Celsius để cho các gia số của cả hai

bằng nhau. Vậy nếu nhiệt độ tăng lên 1
o
C, thì nó cũng tăng lên 1 K. Khác biệt
duy nhất giữa hai thang l điểm bắt đầu;

Để chuyển đổi từ K sang oC, chóng
ta dïng
o

C = K − 273,16 .

H×nh 1 biểu diễn các thang Kelvin,
Celsius v Fahrenheit.

Định luật Stefan-Boltzmann. Nhân tố duy nhất quyết định một vật đen
phát ra bao nhiêu năng l ợng l nhiệt độ của nó. Các vật nóng hơn phát ra nhiều
năng l ợng hơn so với các vật lạnh hơn; do đó, không ngạc nhiên nếu một miếng sắt
nóng phát nhiều năng l ợng hơn một cục băng. Tuy nhiên, điều rất thú vị l l ợng
bức xạ do một vật phát ra không hẳn tỉ lệ với nhiệt độ của nó. Nói cách khác, nhiệt
độ tăng gấp đôi thì tạo ra l ợng bức xạ phát tăng hơn hai lần. Cụ thể l c ờng độ
năng l ợng do một vật đen phát tăng lên theo lũy thừa bậc bốn của nhiệt độ tuyệt
đối của nó. Quan hệ n y gọi l định luật Stefan-Boltzmann đối với vật đen, đ ợc
biểu diễn nh sau:

I = T 4,

ở đây I chỉ c ờng độ bøc x¹ b»ng W/m2, σ l h»ng sè Stefan-Boltzmann ( 5,67 ⋅ 10 −8
W/(m2.K4)) v T l nhiƯt ®é cđa vật bằng K (xem chuyên mục 2-1: Những nguyên lý
vật lý: Ba thang nhiệt độ).
Vì c ờng độ bức xạ phụ thuộc v o nhiệt độ nâng lên lũy thừa bậc bốn, nên

nhiệt độ tăng gấp đôi sẽ dẫn tới tăng 16 lần l ợng phát xạ. Nếu giải ph ơng trình
Stefan-Boltzmann sử dụng nhiệt độ trung bình của bề mặt Trái Đất (khoảng 290
K, 15 oC hay 59 oF) thấy rằng một m2 phát xạ khoảng 401 W năng l ợng. Ng ợc lại,
bề mặt Mặt Trời với nhiệt độ khoảng 6000 K (5700 oC hay 10300 oF) phát xạ
khoảng 73 triệu W/m2.
Tuy các vật đen thực sự không tồn tại tự nhiên, chúng cung cấp một mô hình
hữu ích để hiểu l ợng bức xạ cực đại có thể đ ợc phát xạ. Phần lớn các chất lỏng v
chất rắn có thể xem nh các vật xám, nghĩa l chúng phát xạ bằng một số phần
trăm của l ợng bức xạ cực đại có thể tại một nhiệt ®é ®ang xÐt. Trong khi mét sè
chÊt (thÝ dô n ớc) có hiệu suất phát năng l ợng cao, thì một số khác (thí dụ nhôm)
kém hiệu xuất hơn. Phần năng l ợng phát xạ bởi một chất so sánh với phát xạ của
một vật đen đ ợc gọi l suất phát xạ của nó. Các suất phát xạ biến thiên từ lớn
hơn 0 một chút tới gần bằng 100 % v đ ợc ký hiệu l . Bằng cách khái quát suất
phát xạ của vật bất kỳ, chúng ta rút ra định luật Stefan-Boltzmann đầy đủ:

I = T4.
Đ a ra nhân tử suất phát xạ có nghĩa rằng năng l ợng điện từ do vật xám n o
đó phát ra sẽ bằng một phần của năng l ợng m vật đen phát. Chú ý rằng thậm chí
nh vậy dạng vật xám của định luật Stefan-Boltzmann cho thấy c ờng độ bức xạ l



61


một h m của suất phát xạ v nhiệt độ, phần lớn các bề mặt tự nhiên có suất phát
xạ lớn hơn 0,9. Do đó, trong phần lớn tr ờng hợp những khác biệt về phát xạ l do
những khác biệt nhiệt độ quyết định. Khí quyển l một ngoại lệ đối với quy tắc n y,
bởi vì sự phát xạ phụ thuộc v o một số nhân tố, nh l ợng hơi n ớc trong không
khí. Ngo i ra, ®èi víi mét chÊt khÝ, cã sù biÕn thiªn rÊt lớn về phát xạ theo b ớc

sóng (xem chuyên mục 2-2: Những nguyên lý vật lý: Bản chất của bức xạ, hấp thụ
v phát xạ); do đó, sẽ l không đúng nếu xem phát xạ khí quyển nh l phát xạ vật
đen suy giảm. Nói cách khác, khái niệm suất phát xạ mất ý nghĩa khi áp dụng v o
khí quyển. Tuy nhiên, điểm quan trọng l khí quyển chắc chắn không phải l vật
phát bức xạ lý t ởng v do đó, nó phát bức xạ tại nhiệt độ cụ thể n o đó ít hơn so
với một vật đen.

2-2 Những nguyên lý vật lý:
Bản chất của bức xạ, hấp thụ v phát xạ
Chúng ta th ờng mô tả năng l ợng
điện từ truyền trong không gian nh một
chuỗi sóng, nh ng trong những ngữ cảnh
n o đó, nó diễn biến nh một chùm hạt.
Bản chất hạt của bức xạ áp dụng tại quy
mô quan sát nhỏ nhất, vi mô, khi ánh
sáng nhìn thấy đ ợc phát ra bởi một
nguyên tử hay phân tử đơn lẻ. Khi ánh
sáng đ ợc phát ra, có một thay đổi về
những đặc tr ng quỹ đạo của các điện tử
trong vật phát. Khi quỹ đạo thay đổi, một
chùm nhỏ năng l ợng, gọi l một phôtôn
đ ợc giải phóng.
Sử dụng thí dụ đơn giản, hÃy t ởng
t ợng một nguyên tử hyđrô (với một
prôtôn v một điện tử quay đơn độc).
Điện tử không tự do để chấp nhận ngay
một khoảng cách quỹ đạo n o đó kể từ
nhân. Ng ợc lại, nó tiếp tục giữ cố định
những khoảng cách quỹ đạo, gọi l các vỏ
(shells). Mỗi vỏ liên quan với một mức

năng l ợng cho tr ớc; khoảng cách từ
nhân c ng xa, thì mức năng l ợng c ng
lớn. Nh đà biểu diễn trên hình 1, khi
nguyên tử hyđrô hấp thụ đủ năng l ợng,
nó có thể trở th nh bị kích thích v điện
tử của nó nhảy từ trạng thái nền đến
một vỏ cao hơn. Một cách t ơng tự, nếu

62

điện tử nhảy trở lại mức năng l ợng tr ớc
đây của mình, thì nó đánh mất năng
l ợng d ới dạng một phôtôn. Bởi vì chỉ có
ít vỏ gián đoạn tồn tại, nên chỉ có những
thay đổi năng l ợng nhất định l có thể.
Điều n y có nghĩa rằng, một phôtôn do
nguyên tử phát ra có thể chỉ chứa những
l ợng năng l ợng gián đoạn nhất định,
t ơng ứng với l ợng suy giảm năng l ợng
của nguyên tử.
Một cách t ơng tự, một nguyên tử bị
giới hạn ở những phôtôn m nó có thể
hấp thụ, cụ thể l những phôtôn n o với
những năng l ợng đẩy đ ợc nguyên tử tới
một trạng thái cho phép. Năng l ợng của
một phôtôn chỉ phụ thuộc v o b ớc sóng
của nó: những phôtôn ở các b ớc sóng
ngắn hơn có nhiều năng l ợng hơn những
phôtôn ở b ớc sóng d i hơn. Do đó, nếu
bạn biết b ớc sóng của một phôtôn, bạn

có thể biết năng l ợng của nó v bạn có
thể biết nguyên tử có thể phát ra hay hấp
thụ phôtôn đó. Đây l một cách giải thích
buồn tẻ rằng nguyên tử sẽ hấp thụ v
phát ra bức xạ chỉ tại những b ớc sóng
nhất định, hay một cách t ơng đ ong,
rằng phát xạ v hấp thụ cần phải có tính
chọn lọc.
Dĩ nhiên, khí quyển của chúng ta
không tạo th nh từ những nguyên tử
hyđrô đơn lẻ, nó chủ yếu cấu tạo từ các
phân tử của những chất khí. Đối với
những chất khí đó, các thay đổi về mức
năng l ợng sẽ phức tạp hơn so với của các




nguyên tử hyđrô, nh ng thực tế
vẫn giữ nguyên l phát xạ v hấp
thụ kéo theo sự giảm hoặc tăng
mức năng l ợng vì phôtôn đ ợc
giải phóng hoặc hấp thụ.
Hơn nữa, phát xạ v hấp thụ
lại bị giới hạn bëi chÝnh nh÷ng
b íc sãng n o l m cho phân tử di
chuyển tới một trạng thái năng
l ợng đ ỵc cho phÐp. Tøc l c¸c
chÊt khÝ khÝ qun, gièng nh
hyđrô, l những vật hấp thụ v

phát xạ chọn lọc. Điều n y không
đúng đối với các chất lỏng v chất
rắn, chúng có xu h ớng phát xạ
v hấp thụ ë mét d¶i b íc sãng
réng.
Mét hƯ qu¶ rÊt quan trọng
của tất cả những điều n y l : khí
quyển v bề mặt thích ứng một
cách khác nhau đối với bức xạ với
các b ớc sóng khác nhau. Nh sẽ
thấy say n y, những nguyên lý cơ
bản n y sẽ giải thích khí hậu v
biến đổi khí hậu của Trái Đất.

Hình 1. Các điện tử quay quanh nhân của các nguyên tử
trong những vùng định tr ớc gọi l các vỏ. Hình n y vẽ
một điện tử đơn quay quanh nhân một nguyên tử hyđrô.
Khi nhận năng l ợng, điện tử ở trong một trạng thái kích
thích v nhảy tới vỏ tiếp theo. Khi điện tử trở về trạng
thái nền của mình, nó giải phóng năng l ợng d ới dạng
một phôtôn. Chú ý rằng năng l ợng phát ra bởi những
nguyên tử nh thế phải xuất hiện th nh các chùm gián
đoạn; ở quy mô nguyên tử, các đơn vị năng l ợng đ ợc chia
ra th nh những gói riêng

Định luật Wien. Nh chúng ta thấy ở hình 2.7, bức xạ do Mặt Trời v Trái
Đất phát (hay vật bất kỳ khác) không phải l một b ớc sóng đơn lẻ, v không phải
tất cả các b ớc sóng phát với số l ợng bằng nhau. Trong tr ờng hợp với Mặt Trời,
b ớc sóng phát nhiều nhất l 0,5 m , trong khi năng l ợng phát bởi Trái Đất có
đỉnh ở gần 10 m . Đối với vật phát bất kỳ, b ớc sóng đỉnh (bằng m ) đ ợc xác

định bằng định luật Wien:

hằngsố
,
T
quy chiếu tới b ớc sóng của năng l ợng phát c ờng độ lớn nhất. Đặc

max =

trong đó max

biệt hơn l hằng số trong ph ơng trình trên đây l m tròn tới giá trị 2900 đối với T
tÝnh b»ng ®é K v λmax b»ng μ m . Vậy chúng ta có thể xác định b ớc sóng đỉnh của
bức xạ phát nh sau:

max = 2900 / T .
Định luật Wien nói rằng những vật nóng hơn phát năng l ợng tại các b ớc
sóng ngắn hơn so với những vật lạnh. Điều n y không bất ngờ, nếu nhớ rằng các
b ớc sóng ngắn hơn t ơng ứng với những năng l ợng cao hơn. Các vật nóng có
nhiệt năng lớn hơn, phải phát ra một phần năng l ợng cao hơn tại các b ớc sóng



63


n o ngắn hơn, mang năng l ợng hơn. Thí dụ, bức xạ Mặt Trời mạnh nhất ở phần
nhìn thấy của phổ, mặc dù nó phát xạ trong một dải rộng các b ớc sóng. Phần lớn
bức xạ có b íc sãng nhá h¬n 4 μ m m chóng ta th ờng gọi l bức xạ sóng ngắn.

Trong số bức xạ do Mặt Trời phát, có khoảng 46,5 % l cận hồng ngoại v nhiệt
hồng ngoại, 46,8 % l ánh sáng nhìn thấy v 6,7 % l cực tím.
Bức xạ xuất phát từ bề mặt Trái Đất v khí quyển chủ yếu gồm các b ớc sóng
d i hơn 4 m . Loại năng l ợng điện từ n y đ ợc gọi l bức xạ sóng d i.
Nh thể hiện trên hình 2.7, các vật nóng hơn phát xạ nhiều năng l ợng hơn
các vật lạnh tại tất cả các b ớc sóng. Thí dụ, Mặt Trời phát năng l ợng với b ớc
sóng khoảng 0,5 m hiệu quả nhất v giảm đi rất nhiều tại = 10 m . Tuy nhiên,
tại những b ớc sóng đó, Mặt Trời phát bức xạ nhiều hơn so với Trái Đất, mặc dù
thực tế l Trái Đất không phát bức xạ nhìn thấy m chỉ bức xạ sóng d i (xem
chuyên mục 2-3: Những nguyên lý vật lý: Mặt Trời).

Hình 2.8. ảnh vệ tinh m u của Bắc Mỹ. Các độ cao đỉnh mây
đ ợc suy ra nhờ ứng dụng các định luật bức xạ

Định luật Stefan-Boltzmann v định luật Wien có một số ứng dụng rất hữu ích
v lý thú. Bạn chắc chắn đà thấy những bức ảnh vệ tinh m u biểu diễn phân bố
mây trên Bắc Mỹ kiểu nh bản đồ ở hình 2.8. Loại ảnh n y thể hiện độ cao đỉnh
mây có thể đ ợc dùng l m chỉ thị về c ờng độ giáng thủy xảy ra ở phía d ới. Những
ảnh n y nhận đ ợc bằng cách đo c ờng độ của bức xạ hồng ngoại do đỉnh mây phát.
Các bề mặt lạnh hơn phát xạ năng l ợng kém mạnh hơn so với các vật nóng. Các vệ
tinh thời tiết đo c ờng độ bức xạ để xác định nhiệt độ đỉnh mây trên một khu vực
mục tiêu. Bởi vì mây cao hơn có xu h ớng lạnh hơn mây mực thấp (hÃy nhớ lại rằng
64




trong ®èi l u qun nhiƯt ®é cã xu h ớng giảm theo độ cao), các nhiệt độ có thể
đ ợc sử dụng để suy ra độ cao đỉnh mây v do đó, độ d y t ơng đối của mây. Về
phía mình, mây c ng d y thì th ờng đẫn tới giáng thủy mạnh hơn. ảnh hồng ngoại

có thể thu v o ban đêm cũng nh ban ng y, bởi vì nó dựa trên năng l ợng phát xạ
từ đỉnh mây chứ không phải ánh sáng phản xạ.

Quang quyển

2-3 Những nguyên lý vật lý:
Mặt Trời
Mặt Trời có vẻ ®Ỉc biƯt ®èi víi chóng
ta, nh ng nÕu so víi 100 tỉ hoặc hơn
những vì sao khác trong thiên h của
chúng ta, thì nó không phải l cái gì đặc
biệt độc đáo. Mặc dù các vì sao rất khác
nhau về kích th ớc, nhiệt độ, độ sáng v
mật độ, Mặt Trời thuộc loại trung bình
xét theo các đặc tr ng ®ã. Râ r ng chóng
ta ch a hỊ cã mét quan trắc n o về phần
bên trong của Mặt Trời, nh ng dựa trên
những nguyên lý vật lý m chúng ta có
thể suy ra những quá trình xảy ra ở t
rong đó. Sử dụng các thông tin n y,
chúng ta có thể chia Mặt Trời th nh ba
phần (hình 1).
Lõi v phần bên trong
ở phần trong cùng nhất của Mặt
Trời, lõi, nhiệt độ cực cao (khoảng 15
triệu oC) v mật độ cao dẫn tới các quá
trình nóng chảy hạt nhân sinh năng
l ợng. Trong phản ứng n y các nguyên tử
hyđrô kết hợp d ới ảnh h ởng nhiệt
l ợng v áp suất khổng lồ để tạo th nh

một số l ợng ít hơn các nguyên tử hêli.
Một l ợng khối l ợng nhất định bị mất đi
trong quá trình, nh ng năng l ợng bức
xạ đ ợc giải phóng - chính l thứ năng
l ợng đạt tới bề mặt Mặt Trời, truyền đi
trong vũ trụ v l m nóng to n bộ Trái
Đất. L ợng năng l ợng đó rất biến động.
HÃy thử t ởng t ợng sự nổ của 100 tỉ quả
bom hyđrô 1 mêga tấn - cái đó t ơng
đ ơng với l ợng năng l ợng đ ợc giải
phóng trong lõi mỗi giây.

Năng l ợng sản xuất trong lõi phát
xạ qua phần bên trong của Mặt Trời đến
tới đáy của vùng đối l u, ở đây các chất
khí chuyển động thăng mang năng l ợng
lên tới lớp bề mặt t ơng đối mỏng, gọi l
quang quyển.

Hình 1. Năng l ợng đ ợc phát ra trong lõi của
Mặt Trời do sự nóng chảy hạt nhân. Bên trong
Mặt Trời năng l ợng đ ợc phát ra tới đáy của
vùng đối l u, ở đây sự xáo trộn vận chuyển
năng l ợng lên phía trên tới đáy của quang
quyển (một lớp của Mặt Trời đ ợc nhìn thấy
từ Trái Đất)

Quang quyển l một lớp của Mặt
Trời phát xạ phần lớn năng l ợng phát
của nó v l phần m chúng ta thực sự

nhìn thấy nh l đĩa Mặt trời. Mặc dù
bức xạ truyền từ quang quyển tới Trái
Đất chỉ trong khoảng 8 phút, sự truyền
năng l ợng bức xạ bên trong Mặt Trời
chậm hơn nhiều. Thật vậy, cần khoảng
một triệu năm để năng l ợng giải
phóng trong lõi truyền tới đáy quang
quyển; nh vậy năng l ợng đạt tới đ ợc
Trái Đất l năng l ợng rất cổ.



65


Nhiệt độ v mật độ của quang quyển
tăng theo độ sâu. Vì vậy, rìa của Mặt Trời
ít sáng chói hơn tâm, một hiện t ợng
đ ợc gọi l vùng tối rìa (hình 2). Lớp
thấp hơn của quang quyển đậm đặc hơn
v nóng hơn so với phần bên trên, nên nó
phát xạ năng l ợng mạnh hơn rất nhiều.
Việc khám phá quang quyển bằng
kính thiên văn cho thấy rằng lớp bên
ngo i không phải l một bề mặt đồng
nhất, bằng phẳng. Ng ợc lại, nó gồm một
số th nh tạo với kích th ớc v thòi gian
sống khác nhau.

(a)

Việc ghi nhận hoạt động của các vết
đen duy trì từ thời Galileo Galilei (15641642), ng ời đà từng quan sát sự di
chuyển biểu kiến của chúng trên bề mặt
Mặt Trời.

(b)

Hình 2. (a) Vùng tối rìa xảy ra xung quanh rìa
Mặt Trời bởi vì mật độ v nhiệt độ của quang
quyển tăng theo độ sâu. (b) Vì vùng tối rìa,
phần bên ngo i của đĩa Mặt Trời phát ít năng
l ợng hơn v tối hơn phần bên trong

Các hạt (granules) l những đỉnh đÃ
từng tồn tại của các nhân đối l u, vận
chuyển năng l ợng từ đáy quang quyển
lên bề mặt của nó. Những th nh tạo n y
giống nh những bọt khí trong một bình
n ớc sôi, có đ ờng kính khoảng 1000 km
v tuổi từ 5 đến 10 phút. Tại mỗi thời
điểm có h ng triệu hạt nh vậy trên bề
mặt của quang quyển.
Các vết đen Mặt Trời (mỗi vết kéo
d i một số tuần hoặc tháng) l những
vùng tối ở quang quyển với đ ờng kính

66

khoảng 10000 km v nhiệt độ khoảng

1500 oC lạnh hơn bề mặt xung quanh.
Chúng hình th nh để thích ứng với các từ
tr ờng địa ph ơng rất mạnh, 1000 lần
mạnh hơn từ tr ớng của quang quyển
xung quanh, ngăn cản nhiệt trồi lên tõ
phÝa d íi.

Ng y nay, chóng ta biÕt r»ng c¸c vết
đen giữ nguyên vị trí v t ởng nh di
chuyển chỉ l vì sự xoay của Mặt Trời
(cần khoảng 24 ng y v 16 giê ®Ĩ ho n
th nh mét vòng quay). Số l ợng vết đen
có xu h ớng đạt đỉnh điểm sau từng 11
năm (hình 3). Mặc dù chu trình th ờng
khá xác định, những giai đoạn hoạt ®éng
vÕt ®en cùc thÊp hay cùc cao bÊt th êng
®· xảy ra trong những thời gian lịch sử.
Thí dụ, hình 3 cho thÊy mét thêi kú d i
trong thÕ kû 17 hoạt động vết đen suy
giảm. (Khoảng trống n y không xuất
hiện ở tất cả các quan trắc). Trong nhiều
năm các nh khoa học đà suy nghĩ về vai
trò có thể có của hoạt động vết đen đối với
biến đổi khí hậu Trái Đất, nh ng những




mèi liªn hƯ nãi chung rÊt u v mang
tÝnh kinh nghiệm. Vì không biết một cơ

chế nhân quả n o giữa các vết đen v khí
hậu, nên chúng ta có thĨ rÊt ho i nghi vỊ
vÊn ®Ị n y.
Cã lÏ biểu hiện rõ nhất của những
nhiễu động Mặt Trời l các chớp sáng,
những lóe sáng rất nóng (khoảng 100
triệu oC) trên bề mặt quang quyển do
những bất ổn định từ. Nhiệt độ bên trong
các chớp sáng có thể đạt tới 100 000 000
K, v các th nh tạo n y rất có tính bùng
phát, nên chúng đà đ ợc ví nh những
trái bom cực lớn nổ trên bề mặt Mặt Trời.
Mặc dù chúng chỉ tồn tại cỡ v i phút,
nh ng giải phóng một l ợng năng l ợng

khổng lồ, đặc biệt d ới dạng tia X v bức
xạ cực tím.
Crôm quyển v Corona

Bên trên quang quyển l crôm
quyển (phần thấp) v corona (phần cao
hơn) của bầu khí quyển Mặt Trời. Trái
ng ợc với nền sáng mạnh của quang
quyển, crôm quyển th ờng l không nhìn
thấy. Tuy nhiên, trong những kỳ nhật
thực, Mặt Trăng che chắn mất quang
quyển sáng hơn, nên crôm quyển dễ nhìn
thấy. Ngo i ra, nếu nhật thực xảy ra sao
cho Mặt Trăng có thể l m tối cả quang
quyển v crôm quyển, thì corona xuất

hiện, nh ở hình 4.

Hình 3. Các vết đen Mặt Trời có vẻ diễn biến t ơng đối đều đặn, đỉnh lặp lại sau từng 11
năm. Tuy nhiên, l u ý trên băng ghi d i nhất n y, số vết đen trong các thời kỳ hoạt động
đỉnh cao thay đổi đáng kĨ. ThÝ dơ, phÇn lín thÕ kû 17 l thêi kỳ hoạt động vết đen cực tiểu

Hình 4. Khí quyển Mặt Trời gồm crôm quyển
v corona, chỉ nhìn thấy trong kỳ nhật thực
to n phần. Trong ảnh n y Mặt Trăng l m tối
quang quyển v crôm quyển nên corona đ ợc
nhìn thấy

Ngo i năng l ợng điện từ phát xạ,
corona phát ra các prôtôn, điện tử v
những hạt d ới nguyên tử khác, tất cả
đ ợc gọi l gió Mặt Trời. Các hạt n y
có thể bị bẫy bởi từ tr ờng Trái Đất, nơi
đây chúng có t ơng tác với các chất khí ở
tầng ôzôn để sinh ra hiện t ợng phát
quang (xem hình 1.12). Những thời kỳ
hoạt động gió Mặt Trời mạnh bất
th ờng có thể ảnh h ởng tới việc thu
phát sóng vô tuyến v truyền hình một
cách bình th ờng.



67

Hằng số Mặt Trời

Tất cả chúng ta biết rằng Mặt Trời rất nóng v chúng ta đ ợc bảo vệ khỏi nhiệt
l ợng khổng lồ của nó vì ở cách xa bề mặt của Mặt Trời. Nh ng năng l ợng điện từ
di chuyển trong không gian không bị phá hủy khi di chuyển về phía Trái Đất. Bức
xạ đi qua không gian mang theo cùng một l ợng năng l ỵng v cã cïng b íc sãng
nh khi nã rời khỏi bề mặt Mặt Trời. Tuy nhiên, tại những khoảng cách lớn hơn kể
từ Mặt Trời, nó phân bố trên diện tích rộng hơn, điều đó l m giảm c ờng độ.

Hình 2.9. C ờng độ của chùm tia bức xạ Mặt Trời không yếu đi khi rời khỏi Mặt
Trời. Tuy nhiên, c ờng độ bị suy giảm khi nó phân bố cho một diện tích rộng hơn.
HÃy t ởng t ợng hai hình cầu bao quanh Mặt Trời (sao cho một hình có bán kính
bằng khoảng cách trung bình Trái Đất - Mặt Trời ). Tất cả bức xạ phát ra từ Mặt
Trời sẽ bị bẫy bởi hình cầu n y. Bây giờ hÃy t ởng t ợng rằng hình cầu bao quanh
có bán kính bằng khoảng cách trung bình giữa Mặt Trời v sao Hỏa. Hình cầu n y
lớn hơn hình cầu tr ớc, nên năng l ợng phải phân bố cho một diện tích lớn hơn

Xét một hình cầu bao phủ quanh Mặt Trời với bán kính bằng khoảng cách
trung bình giữa Trái Đất v Mặt Trời, hay 1,5 1011 m (hình 2.9). Vì khoảng c¸ch tõ
68




Mặt Trời tăng lên, c ờng độ của bức xạ giảm tỉ lệ với bình ph ơng khoảng cách.
Quan hệ n y gọi l định luật bình ph ơng nghịch đảo. Bằng cách chia tổng bức xạ
Mặt Trời (3,865 ì 10 26 W ) cho diện tích của hình cầu t ởng t ợng bao quanh Mặt
Trời (diện tích của hình cầu bằng 4 r 2 ), chúng ta có thể xác định l ợng năng l ợng
Mặt Trời nhận đ ợc bởi một bề mặt vuông góc với các tia đi tới tại khoảng cách Trái
Đất - Mặt Trời trung bình. L ợng bức xạ đến bằng

3,685 ì 10 26 W
11

4π (1,5 × 10 m )

2

= 1367 W / m 2 .

Chúng ta coi giá trị 1367 W/m2 l hằng số Mặt Trời (mặc dù có một biến
thiên nhỏ trong đầu ra của Mặt Trời v các nhân tố khác cho phép hằng số n y có
biến đổi chút ít). Để tiện so sánh, nếu sử dụng cùng quy trình nh trên, chúng ta có
thể xác định rằng hằng số Mặt Trời đối với sao Hỏa ( 2,5 ì 1011 m cách Mặt Trời) l
445 W/m2.
Những nguyên nhân tạo nên các mùa của Trái Đất

Mặc dù Mặt Trời phát ra một l ợng bức xạ gần nh không đổi, trên Trái Đất
chúng ta trải nghiệm những biến đổi đáng kể về l ợng bức xạ nhận đ ợc trong thời
gian một năm. Những biến đổi về năng l ợng thể hiện th nh các mùa. Chúng ta
còn biết rằng các vĩ độ thấp (thí dụ vùng nhiệt đới v cận nhiệt đới) nhận đ ợc bức
xạ Mặt Trời một năm tại đỉnh của khí quyển nhiều hơn so với các vùng vĩ độ cao
(thí dụ vùng Nam cực v B¾c cùc). Trong mơc n y, chóng ta sÏ xem xét quỹ đạo của
Trái Đất xung quanh Mặt Trời v định h ớng của nó so với bức xạ tới ¶nh h ëng
nh thÕ n o tíi l ỵng bøc xạ Mặt Trời nhận đ ợc theo mùa v theo vĩ độ (để ngắn
gọn, chúng ta gọi l bức xạ tới).
Sự quay v sự xoay của Trái Đất

Chúng ta đà biết v nh hình 2.10 cho thấy, Trái Đất quay quanh Mặt Trời
một lần hết 365 1 4 ng y nếu nh nó đi dọc theo một mặt phẳng. Chúng ta gọi bề

mặt t ởng t ợng n y l mặt phẳng ho ng đạo, còn cuộc du ngoạn một năm của
Trái Đất trên mặt phẳng l sự quay của Trái Đất.

Hình 2.10. Quỹ đạo Trái Đất quanh Mặt Trời không l vòng tròn lý
t ởng m l ellip. Trái Đất ở gần Mặt Trời nhất (cận điểm) v o
khoảng ng y 3 tháng 1 v xa nhất (viễn điểm) v o ng y 3 th¸ng 7



69


Quỹ đạo không ho n to n tròn m giÃn ra th nh một đ ờng ellip, th nh thử
khoảng cách giữa Trái Đất v Mặt Trời thay đổi theo thời gian trong năm. Trái Đất
ở gần Mặt Trời nhất - tại một điểm gọi l cận điểm - v o đúng hoặc gần ng y 3
tháng 1, khi đó khoảng cách Trái Đất - Mặt Trời bằng khoảng 147 triệu km. Trái
Đất ở xa Mặt Trời nhất - tại mét ®iĨm gäi l viƠn ®iĨm - v o ®óng hoặc gần ng y 3
tháng 7, khi đó khoảng cách Trái Đất - Mặt Trời bằng khoảng 152 triệu km. Vậy
tại cận điểm khoảng cách 3 % nhỏ hơn tại viễn điểm. Nh ng vì c ờng độ của bức xạ
tới biến đổi tỉ lệ nghịch với bình ph ơng khoảng cách Trái Đất - Mặt Trời (nhớ lại
định luật bình ph ơng nghịch đảo), nên bức xạ gần nh 7 % mạnh hơn. (Tuy nhiên,
nh đà nhắc tới ở đầu ch ơng n y, sự biến thiên đó về c ờng độ không phải l thứ
gây nên sự thay đổi của các mùa.)
Ngo i sự quay, Trái Đất còn thùc hiƯn mét chun ®éng xoay gäi l sù xoay.
Sù xoay diễn ra 24 giờ quanh một đ ờng thẳng t ởng t ợng gọi l trục Trái Đất, nó
nối các cực Bắc v Nam. Trục không vuông góc với mặt phẳng quỹ đạo của Trái Đất
quanh Mặt Trời, m nghiêng một góc 23,5o. Hơn nữa, bất chấp thời gian trong năm,
trục luôn nghiêng về cùng một h ớng v luôn h ớng tới một vì sao xa gọi l sao
Bắc Đẩu. H ớng nghiêng không đổi có nghĩa l một nửa năm Bắc bán cầu định
h ớng về phía Mặt Trời v nửa năm khác Bắc bán cầu định h ớng quay đi khỏi

Mặt Trời. Sự định h ớng thay đổi của các bán cầu so với Mặt Trời l nguyên nhân
thực của các mùa - không phải l khoảng cách thay đổi giữa Trái Đất v Mặt Trời.
Dễ d ng nhận thấy độ nghiêng của trục ảnh h ëng nh thÕ n o tíi c¸c mïa
nÕu chóng ta xem xét một tình huống giả t ởng trong đó trục nghiêng không phải
23,5o m đúng 90o, nh đà vẽ trên hình 2.11. Thực ra, đây l tr ờng hợp đối với sao
Thiên V ơng, nên cái m chúng ta mô tả không ho n to n l giả t ởng. HÃy xét
tình huống khi Trái Đất ở vị trí #1. Bắc bán cầu định h ớng thẳng về phía Mặt Trời
nên nó đ ợc chiếu sáng đầy đủ trong suốt chu kỳ xoay 24 giờ. Trong khi đó Nam
bán cầu chịu đựng 24 giờ tối liên tục. Tình huống n y l m cho Bắc bán cầu nóng
hơn Nam bán cầu. Ngo i ra, một ng ời đứng tại cực Bắc sẽ nhìn thấy Mặt Trời ở
ngay trên đỉnh đầu trong suốt cả ng y. Nếu di chuyển từ cực Bắc về phía xích đạo,
anh ta thấy độ cao của Mặt Trời trên đ ờng chân trời dần dần giảm, đến tới xích
đạo thì Mặt Trời trở th nh ở đúng đ ờng chân trời. Về phía nam của ® êng n y,
MỈt Trêi n»m ë d íi ® ờng chân trời v thời gian ban đêm bao phủ Nam bán cầu.
Bây giờ xét vị trí #3, nó xuất hiện 6 tháng sau vị trí #1. ở tình huống n y,
Nam bán cầu ở trong ánh sáng Mặt Trời liên tục trong khi Bắc bán cầu chịu 24 giờ
đêm tối. Hơn nữa, ai đó đứng tại cực Nam sẽ thấy Mặt Trời ngay trên đỉnh đầu v
vị trí biểu kiến của Mặt Trời sẽ dịch về phía đ ờng chân trời đối với những ng ời
quan sát ở gần xích đạo.
Cuối cùng, hÃy quan sát những vị trí trung gian #2 v #4. Trong hai t×nh
hng n y, trơc nghiêng 90o không về phía m cũng không xa khỏi Mặt Trời v sự
nghiêng trở nên không liên quan gì tíi sù thu nhËn bøc x¹. Ngo i ra, ë các vị trí #2
v #4, từng nơi trên Trái Đất có đ ợc 12 giờ ánh sáng ban ng y v 12 giờ đêm tối vì
mỗi vĩ độ chịu một nưa s¸ng v mét nưa tèi. Ci cïng, h·y l u ý lóc gi÷a tr a (khi
70




vĩ độ của nơi bất kỳ đ ợc xét h ớng thẳng về phía Mặt Trời), một ng ời đứng ở xích

đạo sẽ thấy Mặt Trời ở ngay trên đỉnh đầu. Vậy sự quay của Trái Đất gây nên
những thay ®ỉi mïa vỊ l ỵng s ëi nãng cđa bỊ mặt. Khi Bắc bán cầu hoặc Nam bán
cầu định h ớng về phía Mặt Trời, thì bán cầu đó nhận một l ợng bức xạ lớn hơn v
vì vậy, đ ợc s ởi nóng mạnh hơn. Bán cầu n o định h ớng quay ra xa Mặt Trời thì
nhận ít bức xạ hơn.

Hình 2.11. Một tình huống giả t ởng khi trục Trái Đất h ớng dọc
theo mặt phẳng ho ng đạo. ở vị trí #1 Bắc bán cầu nhận năng
l ợng từ Mặt Trời nhiều hơn, trong khi Nam bán cầu liên tục tối.
Tình hình ng ợc lại sau 6 tháng (vị trí #3). Tại các vị trí #2 v #4
cả hai bán cầu nhận những l ợng năng l ợng Mặt Trời bằng nhau

Các kỳ nhật chí v nhật phân. Hình 2.12 biểu diễn sự thay đổi theo mùa
thực tế trong định h ớng của Trái Đất so với Mặt Trời dựa trên góc nghiêng thực
23,5o của trục. Mặc dù trục chỉ nghiêng 23,5o, không phải 90o, nguyên lý vừa mô tả
vẫn áp dụng đ ợc. Trong 6 tháng của năm, Bắc bán cầu nhận nhiều ánh sáng Mặt
Trời hơn Nam bán cầu; trong 6 tháng khác, Nam bán cầu nhận đ ợc l ợng bức xạ
lớn hơn. Bốn vị trí thể hiện trên biểu đồ đại diện cho bốn ng y có ý nghĩa đặc biệt.
ở vị trí trái nhất trên hình 2.12, Bắc bán cầu có độ nghiêng cực đại của nó về
phía Mặt Trời. Điều n y xảy ra v o đúng hoặc gần ng y 21 th¸ng 6, chóng ta gäi l
kú nhËt chÝ tháng 6 (còn gọi l hạ chí theo mùa t ơng ứng ở Bắc bán cầu). Mặc dù



71


chúng ta định nghĩa nó nh một ng y đầu tiên của mùa hè, nó thực sự đại diện cho
ng y m Bắc bán cầu có bức xạ tới lớn nhất. Sáu tháng sau (đúng hoặc gần ng y 21
tháng 12), Bắc bán cầu có bức xạ tới cực tiểu v o kỳ nhật chí tháng 12 (đông chí ở

Bắc bán cầu), nó l ng y đầu tiên của mùa đông ở Bắc bán cầu v l ng y đầu tiên
của mùa hè ở Nam bán cầu. Giữa hai kỳ nhật chí l kỳ nhật phân tháng ba (th ờng
gọi l xuân phân đối với Bắc bán cầu) xảy ra v o đúng hoặc gần 21 tháng 3, v kỳ
nhật phân tháng 9 (gọi l thu phân ở Bắc bán cầu) xảy ra v o đúng hoặc gần 21
tháng 9. Trong các kỳ nhật phân, mọi nơi trên Trái Đất có 12 giờ ng y v đêm v cả
hai bán cầu nhận đ ợc l ợng năng l ợng bằng nhau.

Hình 2.12. Trái Đất quay quanh Mặt Trời

Đ ơng nhiên, sự chuyển tiếp giữa bốn vị trí đ ợc thể hiện trên hình 2.12 không
xảy ra d ới dạng lặp lại đột ngột, m dần dần từ vị trí n y tới vị trí tiếp theo. Nh
đ ợc thể hiện trên hình 2.13, độ nghiêng 23,5o của Bắc bán cầu về phía Mặt Trời
v o kỳ hạ chí gây nên điểm d ới Mặt Trời (một điểm ở trên Trái Đất nơi các tia Mặt
Trời gặp bề mặt với một góc vuông v nơi Mặt Trời đ ợc nhìn thấy ngay trên đỉnh
đầu) tại vị trí 23,5oN. Đây l vĩ ®é n»m cao nhÊt vỊ phÝa b¾c cđa ®iĨm d ới Mặt
Trời. Thực tế l Mặt trời không bao giờ xuất hiện ngay trên đỉnh đầu ở phía bắc của
23,5oN l m cho vÜ ®é n y cã mét ý nghĩa đặc biệt v chúng ta gọi nó l chí tuyÕn
B¾c (Tropic of Cancer).
72




Một cách t ơng tự, v o kỳ đông chí, Mặt Trời ở ngay trên đỉnh đầu tại 23,5oS,
tức chí tuyÕn Nam (Tropic of Capricorn). V o hai kú xu©n phân v thu phân, điểm
d ới Mặt Trời nằm ở xích đạo. Vậy điểm d ới Mặt Trời di chuyển 47o (tức giữa
23,5oN v 23,5oS) trong chu kỳ 6 tháng, v v o mét ng y cơ thĨ n o đó nó nằm đâu
đó giữa chí tuyến Bắc v chí tun Nam. Sù di chun n y cđa ®iĨm d ới Mặt Trời
t ơng tự nh l thay vì quay quanh Mặt Trời trục của Trái Đất đang từ từ lắc lùi
v tiến về phía Mặt Trời v xa khỏi Mặt Trời.

Hình 2.13. Vì trục Trái Đất nghiêng 23,5o,
nên điểm d íi MỈt Trêi n»m ë 23,5oN v o kú hạ chí

Vị trí vĩ độ của điểm d ới Mặt Trời l xích vĩ Mặt Trời, nó có thể đ ợc nhận
biết nh vĩ độ m tại đó Mặt Trời giữa tr a xuất hiện ngay trên đỉnh đầu. Hình
2.14 vẽ xích vĩ Mặt Trời đối với một số ng y trong năm, những mũi tên giữa các
ng y chỉ h íng di chun cđa xÝch vÜ t¹i thêi gian đó trong năm.
Bây giờ chúng ta đà thấy thay đổi định h ớng của Trái Đất so với Mặt Trời
trực tiếp ảnh h ởng tới sự thu nhận bức xạ tới nh thế n o thông qua ba cơ chế: (1)
®é d i cđa thêi gian ban ng y trong mỗi chu kỳ 24 giờ, (2) góc m ánh sáng Mặt
Trời gặp mặt đất v (3) l ợng khí quyển m bức xạ tới phải xuyên qua tr ớc khi có
thể đạt tới bề mặt Trái Đất.
Độ d i ban ng y. Một cách m độ nghiêng của Trái Đất ảnh h ởng tới sự thu
nhận năng l ợng trên Trái Đất l thông qua các độ d i của ng y v đêm. Chúng ta
đà thấy rằng, nếu nh trục nghiêng 90o tới mặt phẳng quỹ đạo Trái Đất, thì sẽ có
một ng y m to n bộ Bắc bán cầu trải qua 24 giờ có ánh sáng ban ng y v một chu
kỳ 6 tháng t ơng đ ơng sau đó của đêm d i liên tục. Nh ng vì trục chỉ nghiêng



73


23,5o tới mặt phẳng quỹ đạo, nên chỉ những vĩ ®é tõ 66,5o (tøc 90o trõ 23,5o) tíi phÝa
cùc míi trải nghiệm một thời gian 24 giờ liên tục l ban ng y hoặc ban đêm. Những
đ ờng ứng với vĩ độ đó l vòng cực Bắc (ở Bắc bán cầu) v vòng cực Nam (ở Nam
bán cầu). Điều n y đ ợc thể hiện trên hình 2.15. V o kỳ hạ chí, địa điểm bất kỳ ở
về phía bắc vòng cực Bắc có 24 giờ ban ng y. Tại một khoảng cách ngắn ở về phía
nam vòng cực Bắc có gần nh (nh ng không ho n to n) 24 giê ban ng y. Khi di

chun vỊ phÝa xÝch đạo, thời gian ban ng y sẽ giảm đi cho tới khi đạt tới xích đạo,
ở đây ng y v ®ªm ®Ịu d i 12 giê. Khi di chun xng Nam bán cầu, độ d i ng y
giảm cho tới 66,5oS, ở đây đêm d i 24 giờ. Đ ơng nhiên, một bức tranh ng ợc lại sẽ
đúng cho kỳ đông chí.

Hình 2.14. Xích vĩ Mặt Trời từ từ di chuyển lên bắc v xuống nam trong 1 năm. V o kỳ hạ chí (21/6)
điểm d ới Mặt Trời ở cao nhất về phía bắc - 23,5oN. Xích vĩ Mặt Trời l 23,5oS v o kỳ đông chí (23/12)

Độ cao Mặt Trời. HÃy nhớ lại lần cuối cùng bạn có v i giờ th giÃn d ới ánh
nắng Mặt Trời. NÕu b¹n ra khái nh v o bi sím, khi Mặt Trời ở thấp gần chân
trời, bạn có thể không cảm thấy nhiều sức nóng từ những tia sáng của nó. Nh ng
khi Mặt Trời lên cao dần trong bầu trời, bạn sẽ thấy cơ thể đ ợc s ởi ấm hơn. Sự
thay đổi đó chủ yếu l do giảm độ lan tỏa của chùm tia sáng. Độ lan tỏa của chùm
tia l l ợng tăng diện tích bề mặt m trên đó bức xạ đ ợc phân bố để phù hợp với
một l ợng giảm của độ cao Mặt Trời nh trên hình 2.16. Độ lan tỏa c ng lớn thì
c ờng độ của bức xạ c ng nhỏ. ở phần (a) của hình, ánh sáng tới với một gãc 90o,
nªn nã tËp trung v o mét diƯn tÝch nhỏ hơn v khả năng l m nóng bề mặt tăng lên.
ở phần (b), các tia chiếu tới bề mặt xiên hơn v năng l ợng đ ợc phân bố trªn mét

74




diện tích lớn hơn, dẫn tới một độ chiếu sáng yếu (năng l ợng bé hơn trên một diện
tích đơn vị). Nh vậy, một chùm ánh sáng sẽ chiếu sáng hay l m nóng một bề mặt
nhiều hơn nếu nó có một độ cao chiếu tới lớn.

Hình 2.15. V o ng y hạ chí (a) mọi điểm phía bắc 66,5oN cã 24 giê ban ng y v
mäi ®iĨm phÝa nam của 66,5oS có đêm liên tục. Trong ng y đông chí (b) tình

hình sẽ ng ợc lại. Những vĩ độ đó đ ợc gọi tuần tự l các vòng cực Bắc v Nam

Độ cao Mặt Trời giữa tr a đối víi mét vÜ ®é cho tr íc cã thĨ dƠ d ng xác định
đ ợc nếu biết xích vĩ Mặt Trời. Muốn vậy, bạn chỉ cần trừ 90o cho vĩ độ của địa
điểm đang xét v sau đó cộng thêm với xích vĩ Mặt Trời. Do đó, v o các kú nhËt


75