CHƯƠNG II BỨC XẠ TRONG KHÍ QUYỂN
2.2 Các dòng bức xạ trong khí quyển
2.2.3 Cân bằng bức xạ
Cân bằng bức xạ (hay còn gọi là cán cân bức xạ) của mỗi vật thể là hiệu số giữa phần năng lượng thu vào và phần năng lượng mất đi bằng con đường bức xạ.
Như vậy, cân bằng bức xạ là một phương trình và các thành phần của nó đóng vai trò rất to lớn trong chế độ nhiệt của trái đất.
1) Cân bằng bức xạ của mặt đất - Định nghĩa:
Cân bằng bức xạ của mặt đất là hiệu số giữa năng lượng mà mặt đất hấp thụ được và năng lượng mà mặt đất mất đi bằng con đường bức xạ, ký hiệu là Rđ.
- Công thức tính Rđ:
Tính Rđ tức là tính hiệu số phần năng lượng mà mặt đất hấp thụ và mất đi bằng con đường bức xạ.
Phần năng lượng bức xạ mà mặt đất hấp thụ được bao gồm: hấp thụ năng lượng tổng xạ Q(1 − A); hấp thụ năng lượng bức xạ nghịch δ Ekq.
Phần năng lượng bức xạ mà mặt đất mất đi là năng lượng bức xạ mặt đất Eđ. Do đó cân bằng bức xạ bề mặt được tính theo công thức:
Rđ = Q(1 − A) + δ Ekq − Eđ
Rđ = Q(1 − A) − E0 (2-29)
Công thức (2-29) là phương trình cán cân bức xạ của mặt đất, trong đó: phần thu chính là năng lượng mà mặt đất hấp thụ được và phần chi là bức xạ hữu hiệu.
- Cán cân bức xạ của mặt đất có thể dương; bằng 0 hoặc âm. Dễ dàng nhận thấy rằng:
+ Rđ phụ thuộc vào thời gian chiếu nắng, độ cao mặt trời hO, các điều kiện thời tiết và ngày mùa trong năm.
+ Rđ phụ thuộc vào vĩ độ: ở vĩ độ càng thấp thì trị số của cân bằng dương càng lớn và trị số của cân bằng âm càng nhỏ; ở vĩ độ càng cao thì trị số của cân bằng dương càng nhỏ và trị số của cân bằng âm càng lớn.
+ Rđ phụ thuộc vào tính chất và đặc điểm của mặt đệm: ở cùng vĩ độ, Rđ trên đại dương lớn hơn Rđ trên đất liền.
- Sự biến đổi của Rđ theo thời gian:
Trong một ngày: Rđ > 0 (gọi là cân bằng dương) vào các giờ ban ngày và cực đại vào khoảng từ 10 đến 12 giờ trưa; Rđ = 0 vào lúc trước khi mặt trời mọc và sau khi mặt trời lặn khoảng chừng 1 giờ và Rđ < 0 vào các giờ ban đêm (gọi là cân bằng âm).
Trong một năm: Cực đại của Rđ quan sát vào mùa hè (tháng 6 - 7), cực tiểu quan sát vào mùa đông (tháng 1, 2, 3). Vào mùa hè đa số Rđ > 0, còn vào mùa đông đa số Rđ <
0.
Nói chung, tính trung bình nhiều năm, trên toàn bề mặt trái đất cán cân bức xạ Rđ đều dương, chỉ trừ có khu vực cực đới nơi bề mặt đóng băng vĩnh viễn Rđ mới âm.
Trị số Rđ trung bình đạt từ 70 đến 80 kcal/cm2năm, trong đó: ở vùng vĩ độ nhiệt đới:
từ 80 đến 100 kcal/cm2năm, ở vùng vĩ độ cao: từ 40 đến 50 kcal/cm2năm.
2) Cân bằng bức xạ của khí quyển - Định nghĩa:
Cân bằng bức xạ của khí quyển là hiệu số giữa năng lượng mà khí quyển hấp thụ được và năng lượng mà khí quyển mất đi bằng con đường bức xạ, ký hiệu là Rkq. - Công thức tính Rkq:
Để tính Rkq ta tính từng thành phần năng lượng mà khí quyển hấp thụ được và mất đi bằng con đường bức xạ.
Phần năng lượng bức xạ mà khí quyển hấp thụ được bao gồm: hấp thụ năng lượng bức xạ mặt trời: Q. k (k: hệ số hấp thụ bức xạ mặt trời của khí quyển); hấp thụ năng lượng bức xạ mặt đất a Eđ.
Phần năng lượng bức xạ mà khí quyển mất đi bao gồm: bức xạ mà mặt đất hấp thụ được δ Ekq, bức xạ đi vào không gian vũ trụ E∞.
Do đó cân bằng bức xạ khí quyển được tính theo công thức:
Rkq = (Q.k + a.Eđ) − (δ Ekq − E∞) Rkq = Q.k + a.Eđ − δ Ekq + E∞
Nếu gọi p là hàm số cho xuyên thông bức xạ sóng dài (p < 1) thì: a.Eđ = Eđ − p. Eđ
Vậy: Rkq = Q.k + Eđ − p. Eđ − δ Ekq + E∞
Rkq = Q.k + (Eđ − δ Ekq) − (p. Eđ + E∞)
Hay: Rkq = Q.k + E0 − E’∞ (2-30) Trong đó: E’∞ là phần bức xạ đi vào không gian vũ trụ.
Công thức (2-30) là phương trình cán cân bức xạ của khí quyển, trong đó: phần thu chính là tổng năng lượng mà khí quyển hấp thụ được của tổng xạ tại biên giới trên của khí quyển và bức xạ hữu hiệu, phần chi là bức xạ sóng dài đi vào không gian vũ trụ.
Trên toàn cầu, tính trung bình nhiều năm cán cân bức xạ Rkq luôn luôn âm vì phần chi lớn hơn phần thu, và như vậy nếu chỉ có con đường bức xạ thì nhiệt độ không khí sẽ giảm đi liên tục! Song thực tế nhiệt độ không khí không giảm đi mãi là nhờ sự trao đổi nhiệt giữa mặt đất và khí quyển bằng các con đường phi bức xạ mà chúng ta sẽ đề cập ở Đ2.3.
3) Cân bằng bức xạ của hệ thống trái đất - khí quyển - Định nghĩa:
Cân bằng bức xạ của hệ thống trái đất - khí quyển hay còn gọi là cân bằng bức xạ của hành tinh R. Vì hành tinh của chúng ta bao gồm trái đất và khí quyển bao bọc nó, do đó khi viết phương trình cân bằng bức xạ của hành tinh, chúng ta chỉ việc kết hợp phương trình cân bằng bức xạ của mặt đất (2-29) và phương trình cân bằng bức xạ của khí quyển (2-30).
- Công thức tínhR:
Phần thu trong phương trình cân bằng bao gồm: hấp thụ năng lượng bức xạ mặt trời của khí quyển: Q. k (k: hệ số hấp thụ bức xạ mặt trời của khí quyển), hấp thụ bức xạ mặt trời của mặt đất Q(1 − A).
Tổng năng lượng mà hành tinh thu được là:
Q . k + Q(1 − A) = Q (1 − A) Trong đó: Alà Albêđô của hành tinh, theo tính toán A= 37%;
Q là tổng lượng bức xạ tại biên giới trên của khí quyển.
Phần chi trong phương trình cân bằng là năng lượng đi vào không gian vũ trụ của cả hành tinh: E’∞.
Do đó phương trình cán cân bức xạ của hành tinh có dạng:
R = Q (1 − A) − E’∞ (2-31)
Công thức (2-31) là phương trình cán cân bức xạ của hành tinh chúng ta, trong đó:
Phần thu trong phương trình cân bằng chính là tổng năng lượng mà hệ thống trái đất khí quyển hấp thụ được của bức xạ mặt trời, phần chi chính là năng lượng bức xạ sóng dài mà hệ thống trái đất khí quyển mất đi vào không gian vũ trụ.
- Sự biến đổi củaR:
Nếu tính trung bình cả năm thì cán cân bức xạ của hành tinh R= 0, tức là nhiệt độ của hành tinh chúng ta không thay đổi. Song ở từng nơi, từng mùa thì Rcó thay đổi và từ đó dẫn đến các hiện tượng nội tại, các quá trình khí quyển phát sinh.
Rphụ thuộc vào vĩ độ, theo tính toán cho thấy:
Từ: ϕ = 0 ÷ 30o R > 0.
ϕ = 30 ÷ 90o R < 0