Chương 1 BỨC XẠ TRONG KHÍ QUYỂN 1. SỰ PHÁT XẠ CỦA MẶT TRỜI VÀ CÁC DÒNG BỨC XẠ TRONG KHi QUYEN 1. Sự phát xạ của Mặt Trời Mặt Trời là một ngôi sao (định tỉnh) gần chúng ta nhất. Nó là một quả cầu lửa khổng lồ.
có đường kính khoảng 1 390 600 km (gấp 109 lần đường kính Trái ĐấU, thể tích 1.10'km), khối lượng khoảng 2. Trái Đất quay xung quanh Mặt Trời theo một quï đạo elíp gần tròn (Mặt Trời ở một tiêu điểm) mà khoảng cách ngắn nhất từ Mặt Trời đến Trái Đất là 147 triệu km (ngày 3 tháng 1) khoảng cách xa nhất là 1ã2 triệu km (ngày õ tháng 7), khoảng cách trung bình là 149,5 triệu km (ánh sáng truyền mất hơn 8 phúÖ. Mặt Trời bức xạ liên tục lượng bức xạ khổng lô ra xung quanh. Lượng bức xạ Mặt Trời lớn tới mức có thể làm tan và bốc thành hơi một vỏ nước đá dây 12m bọc quanh nó trong vòng 1 phút, Tuy nhiên, khí quyền Ì ái Đất chỉ hứng được một phần 3 tỷ lượng bức xạ của Mặt Trời.
Tuy vậy, lượng bức xạ này cũng rất lớn. Cấu trúc của Mặt Trời rất phức tạp. Nhiệt độ bề mặt của nó xấp xỉ 6000°K, còn ở trong lòng sâu. ước tính khoảng 15 triệu độ.
Từ bề mặt của Mat Trời trở lên được chia làm 3 phần chính: quang cầu, sắc cầu và nhật hoa. Quang cầu: Đĩa tròn sáng nhìn thấy gọi là quang cầu. có nhiệt độ bề mặt xấp xỉ 6000°K. Quang cầu được cấu tạo bởi vô số những hạt sáng hỗn độn, hình bầu dục, có kích thước khoảng 700- 1400 km.
Nhiệt độ của các hạt sáng cao hơn nhiệt độ xung quanh. Bên cạnh những hạt sáng còn có những vết thầm giữa là nhân hay bóng tối hơi tròn được bao bọc bởi những đường viên sáng hơn. Đặc biệt nổi bật của quang cầu là có những vết đen. Đó là những xoáy khổng lề hình phễu (giống như bão hay vòi rồng trên mặt đất ).
Nhiệt độ các vết đen thấp hơn xung quanh khoảng 1000- 1500°K. Kích thước các vết đen này rất khác nhau, vết lớn có đường kính bằng 8 lần đường kính Trái Đất Đại bộ phận vết đen tập trung ở 100-300 vĩ độ Mặt Trời. Số lượng các vết đen biến thiên có chu kì là 11 năm, 22 năm, 80- 90 năm. nhưng rõ rệt nhất là chu kì 11 năm.
Người ta thấy trong năm có số lượng vết đen cực đại, trên Trái Đất thường xuất hiện các hiện tượng bão, lũ và các thiên tai khác. Sắc cầu: Lớp khí quyển Mặt Trời đày khoảng 10 000km trên quang cầu gọi là sắc cầu. Lớp khí này rất loãng. Khi có nhật thực toàn phần ta có thể nhìn thấy một vòng sáng trắng quanh Mặt Trời bằng mắt thường.
đó là sắc cầu. Kết quả nghiên cứu cho biết sắc cầu được hợp bởi vô số các “lưỡi lửa" không ngừng chuyển động. Cá biệt có "lưỡi lửa” phụt lên cao hàng vạn km, cao hơn cả độ cao trung bình của sắc cầu rồi lại rơi xuống Mặt Trời, uốn cong như những nhịp cầu (gọi là tai lửa). Có lúc người ta phát hiện thấy hiện tượng bùng nổ sắc cầu ở cạnh các vết đen Mặt Trời.
Hiện tượng này làm gián đoạn sự thông tin bằng các sóng vô tuyến ngắn trên Trái Đất. Nhiệt độ trung bình của sắc cầu vào khoảng 30 000° K, 3. Nhật hoa: Đó là lớp khí rất loãng ở ngoài cùng của Mặt Trời, được tạo bởi các tia khí phụt từ Mặt Trời ra ngoài. Trong 8 Nhật hoa (khoảng 2 0000) K) Sắc cầu (khoảng 20000.
K) Lớp nghịch đảo. Các lớp của mặt trời thời kì vết đen Mặt Trời hoạt động mạnh, các tia khí phụt khá đều ra xung quanh. Trái lại, trong thời kì ít vết đen, các tia khí phụt ra từ vùng xích đạo Mặt Trời dài hơn các tỉa phụt ra từ cực Mặt Trời. Ánh sáng yếu ót của vành nhật hoa bi at bởi ánh sáng gay gất của quang cầu.
Vành nhật hoa chỉ nhìn thấy vài phút khi có nhật thực toàn phẩn.trong lúc đĩa Mặt Trời bị Mặt Trăng che toàn bộ. Nhiệt độ trung bình của vành nhật hoa cao tới 2 triệu độ (tính theo động năng trung bình của các phân tử) nên vật chất ở đây tồn tại trong trạng thái plasma (trạng thái chứa nhiều ion tới mức làm thay đổi hẳn tính chất của vật chất so với trạng thái trung hoà). Sở đĩ Mặt Trời có năng lượng lớn như vậy là do phẩn ứng nhiệt hạch trong lòng sâu của nó (phản ứng tổng hợp Heli tit Hydrô). Do qua trình phát năng lượng mà khối lượng của Mặt Trời giảm 5.10” tấn trong mỗi giây.
nhưng nhờ khối lượng Rhổng lồ. nó còn chiếu sáng khoảng 5 tỉ năm nữa. Bức xạ Mặt Trời trên đường tới Trái Đất bị nhiều tác dụng làm suy yếu cho nên phổ bức xạ Mặt Trời mà ta quan trắc được trên Trái Đất không giống như phổ bức xạ tại gốc của Mặt Trời. Người ta thấy phổ bức xạ điện từ của Mặt Trời rất rộng, từ tia Gama đến sóng rađiô (sóng vô tuyến): -_ Tia y có bước sóng trong chân không 2< 10” im - Tia Rơnghen(X) có 10”<2< 10” im -_ Tia cực tím có 10”< À <0,38 tim - Anh sang nhin thấy có 0,38 < 2 < 0,76 im - Tia héng ngoai c6 0,76 <A < 3000 km -_ Bóng rađiô có 2.
Các dòng bức xạ trong khí quyển Trái Đất nhận năng lượng bức xạ chủ yếu từ Mặt Trời. Năng lượng đến Trái Đất từ các thiên thể khác trong vũ trụ là không đáng kể. Khi truyền trong khí quyển, do tính bất đồng nhất về mặt quang học, về trạng thái lý hoá học của khí quyển, bức xạ Mặt Trời bị hấp thụ và khuếch tán. Phần khá lớn của bức xạ Mặt Trời đến được mặt đất dưới dạng chùm tia song song được gọi là bức xạ trực tiếp hay trực xạ.
Phần bức xạ bị khí quyển khuếch tán từ mọi điểm của vòm trời đến mặt đất gọi là bức xạ khuếch tán hay tán xạ. Tổng của trực xạ và tán xạ gọi là bức xạ tổng cộng hay tổng xạ. Bức xạ Mặt Trời khi đến mặt đất, phần cơ bản bị hấp thụ chuyển thành nhiệt đốt nóng:mặt đất. phần khác bị phản xạ trở lại khí quyển.
Phần bức xạ Mặt Tvời bị mặt đất hay khí quyển (chủ yếu do mây) phản xạ trở lại được gọi là bức xạ phản chiếu hay phan xa. 10 Mức độ hấp thụ bức xạ của mặt đệm lớn hơn rất nhiều so với khí quyển vì khí quyển về cơ bản là môi trường khuếch tan bức xạ, chứ hấp thụ thì rất ít, trừ mây. Nói chung, phần bức xạ do mặt đệm hấp thụ thường gấp ba lần phần bức xạ do khí quyển hấp thụ. Đến lượt mình, do bị đốt nóng, mặt đất trở thành nguồn phát xạ nhiệt hướng tới khí quyển.
Bức xạ phát ra từ mặt đất gọi là bức xạ mặt đất. Tương tự như vậy, khí quyển cũng phát xạ về mọi hướng và một phần hướng về mặt đất, phần này gọi là bức xạ nghịch của khí quyển. Các dòng bức xạ kể trên khác nhau về thành phần phổ. Phan cơ bản của bức xạ Mặt Trời do phát xạ ở nhiệt độ cao, nên nằm trong khoảng phổ nhìn thấy.
Trong khi đó bức xạ mặt đất và bức xạ khí quyển phần lớn ở bước sóng lớn hơn 4 tam. Do sự khác biệt này mà bức xạ Mặt Trời được gọi là bức xạ sóng ngắn còn bức xạ mặt đất và khí quyển gọi là bức xạ sóng dài. Như vậy, trong khí quyển luôn tổn tại một hệ các dòng bức xạ khác nhau về thành phần phổ và hướng. Khi nghiên cứu các dòng này ta thường xét phần được chuyển vận (truyền đi), phần bị phản xạ và phần bị hấp thụ chuyển thành nhiệt.
Về mặt năng lượng, tổng đại số của tất cả các dòng bức xạ qua một bề mặt nào đó (năng lượng bức xạ tới- năng lượng bức xạ rời khỏi bề mặt) đặc trưng cho sự thu- chỉ bức xạ, gọi là cán cân bức xạ. Nghiên cứu tất cả các dòng bức xạ trong khí quyển là nhiệm vụ của chuyên ngành bức xạ học. Việc đo đạc các đòng bức xạ được tiến hành ở các trạm khí tượng. Ngày nay người ta đã chế tạo được nhiều thiết bị hiện đại đó thể đo chính xác các dòng bức xạ đã xét ở trên như trực xạ.
tần xạ, phần xạ, cán cân bức xạ. CÁC ĐẶC TRƯNG BỨC XẠ CƠ BẢN 1. Các đặc trưng của trường bức xạ Bức xạ có mang theo năng lượng. Năng lượng bức xạ được truyền đi trong không gian.
Vùng không gian có bức xạ truyền qua được gọi là trường bức xạ. trình bày các đặc trưng quan trọng nhất của trường bức xạ, tên gọi cùng ký hiệu theo qui định của Uỷ Ban bức xạ của Hội khí tượng và Vật lý khí quyển quốc tế, đơn vị đo trong hệ quốc tế SI và định nghĩa của chúng. Ngoài những ký hiệu nêu trong bảng, độ rọi trực xạ, tán xạ và tổng xạ được ký hiệu riêng là các chữ cái S, D và G tương ứng. Các đặc trưng cơ bản của trường bức xạ(A là diện tích bề mặt, © là góc khối, 0 là góc giữa pháp tuyến của bể mặt và hướng truyền bức xa) Tên Ky Đơn vị Hệ thức Định nghĩa hiệu = Năng lượng bức xạ a J (radiant energy) (joule) sai Thông lượng bức xạ o WwW dQ Năng lượng bức (radiant flux) ( watt) ot ‘dt.
xạ qua một diện tích trong một đơn vị thời gian Mật độ thông lượng M Wm? Năng lượng bức bức xạ hoặc + xạ qua môt đơn i ‘ E GHẾ ,„ ¿6 16) vị điện tích sen DOỆỢDG NỆ đA ˆ đAdt | trong mot don vi thdi gian Độ trưng bức xa M Wm? ả 47a |Mật độ thông it i exitance) (radiant wee. dA SRY phát dAdt lugng đi bứctừbite mộtxa bề mặt 12 Đề rọi bức xạ E Wm? do d'Q_ Mật độ thông lượng bức xạ (irradiance ) dA dAdt chiếu tới một bể mặt Độ chói bức xạ L 'Wm”sr' L d”$ Thông lượng ( radiance) © ddA cos 9 bức xạ phát đi da hoặc nhận được bởi một đơn vị diện tích bể mặt đặt vuông góc với hướng truyền bức xạ, giới hạn trong một đơn vị góc khối bao quanh hướng đó Độ phơi bức xạ H um? Ín dQ _ 1? này Năng lượng bức (radiant exposure) xạ chiếu tới một Lai dA 4 khoang đơn vị diện tích thời bể mặt trong gian một khoảng thời phơi gian nảo đó. | Cuong đô bức xa |1 Wsr` _ độ _ đ?Q Thông lượng (raaianit imensity ) ~ dQ dtdQ bức xạ phát đi từ một nguồn điểm trong một đơn vị góc khối bao. quanh hướng đã cho.