Bài 23. Đối lưu - Bức xạ nhiệt

Bức xạ và nhiệt độ
Chương II
Đặt vấn đề: một trong ba nhân tố hình thành khí hậu
2.1 Các khái niệm chung
Có 3 cách truyền nhiệt:
Truyền dẫn: Sự truyền nhiêt (ví dụ nước nóng và thanh đồng) Khi tiếp xúc với nhau, các "hạt" nước truyền một phần động năng phân tử cho các "hạt" đồng và do đó động năng các phân tử nước giảm và của đồng tăng lên. Do đó nhiệt độ của nước tăng lên và của đồng tăng lên (nhiệt độ của một vật do chuyển động phân tử của vật đó quyết định)
Giữa mặt đất và các lớp đất bên dưới có chênh lệch về nhiệt tạo ra sự dẫn nhiệt từ nơi có nhiệt độ cao đến nơi có nhiệt độ thấp hơn.
Trao đổi: Đối lưu- Chất lưu bị đun nóng (nhận nhiệt lượng) thì nở ra lên khối lượng riêng nhỏ đi so với các vùng không bị hâm nóng. Do đó phần bị hâm nóng chuyển động lên phía trên, phần lạnh chìm xuống dưới tạo thành dòng chất lưu mang nhiệt lượng từ vùng này tới vùng khác. Tóm lại đối lưu là sự truyền nội năng bởi các dòng khí hay dòng chất lỏng.
Bức xạ:phương thức truyền nhiệt bằng sóng điện từ trường, không cần môi trường trung gian
Cường độ năng lượng bức xạ Mặt trời trực tiếp: tính bằng calo dồn tới một cm2 mặt phẳng vuông góc với tia bức xạ Mặt Trời trong thời gian một phút
Bức xạ được biểu thị bằng độ dài bước sóng, khi bước sóng giảm, năng lượng mang theo tăng
Khi một phân tử, nguyên tử hay i-on bị kích thích, nó có thể phát ra ánh sáng. Electron trong quỹ đạo bình thường bị kích thích bật lên mức năng lượng cao hơn. Khi electron trở lại quỹ đạo bình thường (của) nó, nó phát ra một phôtôn ánh sáng.
Các lớp trong khí quyển và độ xuyên của bức xạ
2.1.1 Bức xạ
2.1.2 Cường độ phát xạ

Cường độ phát xạ của vật tính bằng calo phát ra từ một đơn vị diện tích (1 cm2) bề mặt của vất phát xạ trong thời gian một phút.
Theo quy tắc Stêphan Boonsman:

E0=abT4 (cal/cm2phút)
T: nhiệt độ tính bằng độ Kenvin
a:hệ số phát xạ
b: hằng số Stêphan Boonsman bằng 8.26.10-11.
2.1.3 Bức xạ mặt trời
- Bức xạ Mặt Trời là dòng năng lượng và vật chất phát đi từ Mặt Trời đến Trái Đất.
- Chúng ta sử dụng sự liên hệ "Wien" do hai nhà vật lý học Wilhelm Wien 1864-1928 phát minh để xác định bước sóng, mà ở đó tập trung nhiều năng lượng nhất:

?max= hằng số/T
?max : bước sóng tính bằng ?m , ứng với nó bức xạ lớn nhất
hằng số:2897 ?m 0K
Bức xạ sóng ngắn của Mặt Trời và sóng dài của mặt đất
- Bức xạ sóng dài
Bức xạ sóng ngắn
Bức xạ ánh sáng nhìn thấy
Phổ Mặt Trời
Hằng số Mặt Trời:
Cường độ bức xạ Mặt Trời được tính bằng calo dồn tới l cm2 mặt phẳng vuông góc với tia năng lượng Mặt Trời trong thời gian một phút I0(cal/cm2 phút).
Cường độ bức xạ Mặt Trời ở giới hạn trên của khí quyển hay còn gọi là Hằng số mặt Trời.
4?R2E0 = 4?r2F
ở đây : r - bán kính Mặt Trời (696.000 km).
R - khoảng cách từ tâm Mặt Trời đến giới hạn trên của khí quyển (150.000.000 km).

hằNG Số MặT TRờI
khoảng cách từ trái đất đến mặt trời
5/VII viễn nhật
3/I cận nhật
2.1.3.2 Năng lượng bức xạ Mặt Trời bị suy yếu do khí quyển

Bị hấp thụ bởi O3, CO2, hơi nước
bị khuếch tán ra các hướng khác nhau bởi các phân tử không khí, tạp chất, mây.
CÂN BằNG BứC Xạ MặT TRờI
Lượng bức xạ Mặt trời suy yếu khi đi qua khí quyển được tính theo công thức Bughê
I=I0pm
Trong đó:I là cường độ bức xạ Mặt Trời còn lại trên mặt Trái đất.
I0 là hằng số Mặt Trời.
m: đoạn đường của tia bức xạ phải đi qua trong khí quyển (khối lượng quang học bằng bao nhiêu khí quyển).
P: độ trong suốt (cho biết phần bức xạ đi qua 1 khí quyển (m=1) là bao nhiêu).
Nếu góc h0 bằng




Hệ số vẩn đục là tỷ số giữa độ trong suốt thực của khí quyển với độ trong suốt lí tưởng.
Tỷ số này do lượng hơi nước và bụi trong khí quyển quyết định và luôn luôn lớn hơn đơn vị.

Theo định luật Relây, trong không khí trong sạch, sự khuếch tán được diễn ra chỉ do các phân tử khí thì cường độ bức xạ khuếch tán tỉ lệ nghịch với luỹ thừa bậc bốn bước sóng của tia bị khuếch tán.



i?= (a/?4)xI?
Định luật Relây
2.1.3.3 Năng lượng bức xạ Mặt trời
trên bề mặt đất (bức xạ sóng ngắn)
Bức xạ Mặt Trời tổng cộng
Khí quyển làm bề mặt TRáI Đất ấm lên
Mặc dù ở cực,
nhưng độ dài ngày
lên tới 24 tiếng và với
góc nhập xạ không
nhỏ nên Q khá lớn
BứC Xạ TổNG CộNG NĂM
Anbêđo thay đổi phụ thuộc vào tính chất vật lý của bề mặt đệm như sau:
Anbêđô tăng khi góc nhập xạ giảm.
Năng lượng bức xạ hấp thụ,
phản hồi, Anbêđô:
Nếu ta gọi đại lượng phản hồi là q thì đại lượng hấp thụ sẽ là :
Q-q
Anbêđo là tỉ lệ phần trăm giữa bức xạ phản hồi (q) và tổng xạ (Q). Nếu ta gọi A là Anbêđo thì
A=q/Q100%
2.1.4 Bức xạ sóng dài
Năng lượng bức xạ mặt đất Eđ.
Bức xạ nghịch của khí quyển Ek.
Mặt đất hấp thụ 99%.
Nó là nguồn nhiệt quan trọng làm mặt đất đỡ lạnh vào ban đêm.
Ek tỷ lệ thuận với độ ẩm không khí, lượng mây.
Bức xạ hiệu dụng Eh.
Là lượng nhiệt mặt đất bị mất đi.
Khí quyển làm bề mặt TRáI Đất ấm lên (Ek)
2.2 Cân bằng Bức xạ Mặt đệm, cân bằng nhiệt mặt đệm
2.2.1 Cân bằng Bức xạ Mặt đất
Phần năng lượng cân bằng bức xạ mặt đất tích luỹ được này lại chi vào các quá trình khác (bốc hơi nước, truyền nhiệt phân tử, trao đổi loạn lưu, các quá trình sinh vật, cân bằng lượng nhiệt đến Trái đất và mất vào khoảng không vũ trụ là bằng nhau) để trong một chu kỳ nào đó (ngày, năm) nhiệt của mặt đất giữ được trạng thái cân bằng ổn định.
CÂN BằNG BứC Xạ MặT ĐấT TRONG NĂM
2.2.2 Cân Bằng Nhiệt

2.2.2.1 Cân Bằng Nhiệt mặt đất

L: tiềm nhiệt hoá hơi 597 cal/gam
A0: Lượng nhiệt nhân được hoặc mất đi từ các lớp đất sâu
P: lượng nhiệt trao đổi (đối lưu, loạn lưu) giữa mặt đất và không khí
Cấu trúc cân bằng nhiệt mặt đất
2.2.2.2 Cân Bằng Nhiệt khí quyển

B+P+LE=0
Trong ®ã:
B: C©n b»ng bøc x¹ cña khÝ quyÓn (<0).
CÂN BằNG NĂNG LƯợNG tRáI đấT khí QUYểN
2.3 Chế Độ Nhiệt Của Khí Quyển
Sự thay đổi nhiệt độ của không khí theo thời gian và không gian gọi là chế độ nhiệt của khí quyển.
2.3.1 Chế độ nhiệt của khí quyển
2.3.2 Biến trình ngày của nhiệt độ không khí
Biến trình ngày của nhiệt độ không khí tại Frankfurt vào một ngày tháng IV
2.3.3 Biến trình năm của nhiệt độ không khí
Vị TRí THIÊN ĐỉNH DI CHUYểN HàNG NĂM
Xuân phân:21/III
Thu phân: 23/IX
Đông chí: 22/XII
Hạ chí : 22/VI
Biên độ năm của nhiệt độ
2.3.4 Sự phân bố của nhiệt độ theo chiều thẳng đứng
2.3.4.1 theo chiều sâu trong đất
2.3.4.2 Sự phân bố của nhiệt độ theo chiều thẳng đứng
Nghịch nhiệt
Nghịch nhiệt
đoạn Nhiệt
đoạn Nhiệt
2.3.4.4 Phân bố Nhiệt độ không khí trên mặt đất
Nhiệt độ trung bình
không khí tháng I ở mực nước biển
NHIệT Độ TRUNG BìNH THáNG I
Nhiệt độ trung bình
không khí tháng 7 ở mực nước biển
NHIệT Độ TRUNG BìNH THáNG 7
Nhiệt độ trung bình
năm của không khí ở mực nước biển
NHIệT Độ TRUNG BìNH NĂM CủA KHÔNG KHí
TRợ giúp
Nội năng :tổng động năng phân tử và thế năng phân tử của tất cả các phân tử cấu tạo nên một vật gọi là nội năng của vật đó.
Nhiệt dung riêng của một chất cho biết nhiệt lượng cần truyền cho 1 kg chất đó để nhiệt độ của nó tăng lên 10C.
Sự truyền nhiêt: (ví dụ nước nóng và thanh đồng) Khi tiếp xúc với nhau, các "hạt" nước truyền một phần động năng phân tử cho các "hạt" đồng và do đó động năng các phân tử nước giảm và của đồng tăng lên. Do đó nhiệt độ của nước tăng lên và của đồng tăng lên (nhiệt độ của một vật do chuyển động phân tử của vật đó quyết định)
Đối lưu là sự truyền nội năng bởi các dòng khí hay dòng chất lỏng.
Sự bay hơi và ngưng kết: ở một nhiệt độ xác định, các phân tử chuyển động với một vận tốc trung bình xác định. Có một số phân tử chuyển động với vận tốc lớn hơn, hoặc nhỏ hơn vận tốc đó. Khi chuyển động ở gần mặt thoáng của chất lỏng, một số phân tử chuyển động nhanh hơn có thể thắng được lực hút các phân tử ở bên cạnh, thoát khỏi mặt chất lỏng đó, gọi là sự bay hơi.
Ngưng kết và bốc hơi: Chi cho 1 g nước bốc hơi là 597 calo. Khi gặp lạnh hơi nước ngưng kết thành thể lỏng toả ra một năng lượng tương đương và truyền xuống mặt đất
Truyền dẫn: Giữa mặt đất và các lớp đất bên dưới có chênh lệch về nhiệt tạo ra sự dẫn nhiệt từ nơi có nhiệt độ cao đến nơi có nhiệt độ thấp hơn.
Trao đổi: Giữa mặt đất và không khí bên trên có sự chênh lệch về nhiệt độ nên có sự trao đổi nhiệt giữa mặt đất và lớp không khí bên trên thông qua trao đổi loạn lưu.