Bài giảng Khí hậu học và Khí hậu Việt Nam (Phần 1: Khí hậu học): Chương 3 – Phan Văn Tân

PHẦN 1: KHÍ HẬU HỌC Chương Sự truyền xạ khí khí hậu 3.1 Photon thành phần vi lượng |  Năng lượng truyền từ mặt trời xuống Trái đất chủ yếu |  |  |  |  |  đường xạ điện từ Khí tương đối suốt xạ mặt trời è khoảng nửa xạ mặt trời xuống đến bề mặt bị hấp thụ mặt đất đại dương Để đạt cân lượng è Trái đất phải phát xạ sóng dài vào khơng gian vũ trụ è Sự truyền xạ sóng dài khí đóng vai trị quan trọng Q trình truyền xạ khí phụ thuộc vào tính chất lý hóa khí quyển: thành phần khí, chất aerosol diện mây chứa nước Sự hấp thụ xạ nhiệt khơng khí thực phân tử gồm phần nhỏ khối lượng khí Sự phụ thuộc khí hậu vào vơ số thành phần vi lượng làm cho khí hậu nhạy cảm với thay đổi tự nhiên thay đổi người gây thành phần khí 3.2 Bản chất xạ điện từ |  Bức xạ điện từ xuyên qua dạng sóng dạng hạt nhỏ biểu diễn dịch chuyển lượng không gian |  Khi xem xét trình hấp thụ phát xạ xạ lượng xạ hạt lượng rời rạc mà ta gọi photon |  Tốc độ xạ điện từ chân không số c*=3.108m/s è tần số ν bước sóng λ tỷ lệ nghịch với c* ν= λ c* λ= ν |  Nếu cho ánh sáng photon, photon có lượng Eν tỷ lệ với tần số E ν = !ν ! = 6.625 x 10-34Js số Planck •  è Có thể mơ tả ánh sáng dạng sóng dạng hạt •  Photon có lượng cao = Sóng ngắn; Photon có lượng thấp = Sóng dài •  Hầu hết lượng xạ mặt trời nằm khoảng bước sóng 100 nm - µm, bao gồm xạ tử ngoại, xạ nhìn thấy xạ gần hồng ngoại •  99% xạ mặt trời nằm phổ nhìn thấy (0.4-0.75µm) gần hng ngoi (0.75-5àm) ã Bc x t ngoi ch chim 1% •  Năng lượng phát xạ trái đất nằm khoảng 4-200µm (hồng ngoại) Phổ xạ mặt trời Trái đất |  Solar radiation: Peak at ~0.5µm è Shortwaves |  Earth radiation: Peak at ~10µm è Longwaves Hấp thụ xạ khí |  Hầu hết lượng xạ phát từ mặt trời nằm dải bước sóng 100nm-4µm, bao gồm tia cực tím, ánh sáng nhìn thấy xạ gần hồng ngoại |  99% lượng phát xạ mặt trời nằm dải bước sóng nhìn thấy (0,4-0,75µm) gần hồng ngoại (0,75-5µm) |  Bức xạ cực tím chiếm chưa đến 1% lại quan trọng ảnh hưởng đến khí cao có hại cho sống chiếu xuống đến bề mặt |  Năng lượng phát xạ Trái đất gần nằm khoảng từ µm đến 200 µm, hoàn toàn hồng ngoại nhiệt Hấp thụ xạ khí |  Phổ phát xạ Mặt trời (6000 K) Trái đất (255 K) hàm bước sóng |  Bức xạ bị hấp thụ lớp khí từ bề mặt đến đỉnh khí |  Bức xạ bị hấp thụ lớp khí từ đỉnh tầng đối lưu đến đỉnh khí |  Vai trò hấp thụ xạ phân tử khí dải bước sóng Hấp thụ xạ khí |  Hơi nước chất khí hấp thụ xạ sóng dài quan trọng nhất: {  Góp phần quan trọng vào việc hấp thụ xạ dải bước sóng 2-3, 4-7 and >11 µm |  Carbon dioxide (CO2) chất khí quan trọng thứ hai: {  Hấp thụ 100% lượng xạ có bước sóng >11 µm 3.3 Mơ tả lượng xạ Một số thuật ngữ |  Độ chói hay Cường độ lượng đơn vị góc khối, thường xét cho dải bước sóng |  Thơng lượng tổng lượng qua mặt (tích phân cường độ) |  q = Góc thiên đỉnh |  j = Góc phương vị |  dw = Số gia góc khối |  Cường độ đơn sắc lượng lượng xạ (dFν) khoảng tần số (ν ÷ ν+dν) dịng xun qua số gia diện tích (dA) góc khối (dω) khoảng thời gian (dt): dFν = Iν cosθ dω dA dν dt |  dω = sinθ dθ dϕ |  Mật độ thông lượng phổ ứng với tần số ν: ππ / Fν = ∫ ∫ I ν (θ, ϕ) cos θ sin θdθdϕ 0 Mật độ thông lượng hay mật độ dòng (W/m2): ∞ F = ∫ Fν dν Cân xạ - đối lưu ảnh hưởng chất hấp thụ khác |  Khi có nước profile gần với profile quan trắc, ngoại trừ tầng bình lưu khơng có nước khí trở nên lạnh |  H2O + CO2: làm tăng nhiệt độ ~10K so với |  H2O + CO2 + O3: Profile thể đỉnh tầng đối lưu “xuất hiện” tầng bình lưu! Cân xạ - đối lưu Cường độ đốt nóng xạ |  LH2O, LCO2, LO3: làm |  |  |  |  |  lạnh sóng dài S đốt nóng hấp thụ xạ mặt trời NET kết hợp SW & LW Đốt nóng làm lạnh gần cân tầng bình lưu Tầng đối lưu bị làm lạnh mạnh (~ 1.5 K/ngày) Sự làm lạnh cân lại nào? |  Trong tầng bình lưu gradient thẳng đứng nhiệt độ cân xạ khơng lớn dương, khơng địi hỏi phải hiệu chỉnh đối lưu |  xảy cân đốt nóng ozon hấp thụ xạ mặt trời làm lạnh phát xạ sóng dài carbon dioxide |  Tầng đối lưu không cân xạ, tốc độ làm lạnh xạ khoảng 1.5K/ngày cân truyền nhiệt đối lưu từ bề mặt •  Trong tầng đối lưu, cách gần đúng, làm lạnh sóng dài từ carbon dioxide cân hấp thụ xạ mặt trời nước •  Hơi nước khí nhà kính quan trọng khí tự nhiên Cân xạ - đối lưu ảnh hưởng mây |  Mây hấp thụ sóng dài |  Mây phản xạ sóng ngắn |  Hiệu ứng mạnh hơn? |  Phụ thuộc vào nhiệt độ phát xạ T |  Đối với mây thấp, σT4 ~ σTs4: Phát xạ mạnh, albedo lớn è phản xạ sóng ngắn mạnh è làm lạnh sóng dài lớn |  Đối với mây cao, σT4 J{zct,∞} = 1.0 (truyền qua hoàn toàn khoảng không vũ trụ) ΔF↑ (∞ ) = σT z4 − σTs4 J(z s , ∞ ) + ct ʹ′ σ T ( z ) dJ (zʹ′, ∞) ∫ J(z s ,∞) ΔF (∞) = σTzct − F ↑ ΔR TOA => ↑ clear (∞) S0 ↑ (∞ ) − σTz4ct =− Δα p + Fclear •  Biến đổi xạ sinh mây phụ thuộc vào tương phản albedo điều kiện trời quang điều kiện có mây, phụ thuộc vào nhiệt độ đỉnh mây •  Chỉ mặt định tính mây có đỉnh > ~ 4-5 km |  Để nhận ổn định (khí hậu) tương phản albedo nhiệt độ đỉnh mây phải thỏa mãn điều kiện mây không làm biến đổi xạ thuần, tức ΔRTOA = 0, suy ra: 1/ ↑ ⎧⎪ − (S0 / 4)Δα p + Fclear (∞) ⎫⎪ Tz ct = ⎨ ⎪⎩ σ ⎬ ⎪⎭ •  Nhiệt độ đỉnh mây liên hệ với độ cao đỉnh mây, TS gradient thẳng đứng nhiệt độ : TZct = TS − Γz ct Tính Zct |  Biến đổi RTOA đưa mây vào khí quang mây phụ thuộc vào độ cao đỉnh mây tương phản albedo hành tinh điều kiện quang mây có mây •  Độ cao đỉnh mây cao tương phản albedo phải lớn để khử bỏ hiệu ứng tăng/ giảm RTOA •  Cùng độ cao đỉnh mây, tương phản albedo tăng làm giảm hiệu ứng tăng RTOA •  Cùng độ tương phản albedo, độ cao đỉnh mây tăng làm tăng hiệu ứng tăng RTOA •  Mây có đỉnh cao, lạnh albedo thấp gây nên biến đổi dương đáng kể xạ thuần, •  Mây thấp, sáng chói gây nên biến đổi âm lớn xạ đỉnh khí 3.12 Vai trò quan trắc mây cân lượng trái đất (W/m2) Tác động xạ mây ước tính từ số liệu vệ tinh •  Mây làm tăng albedo hành tinh 15% - 30%, dẫn đến: •  Làm giảm xạ mặt trời hấp thụ khoảng 48 W m-2 •  Mây làm giảm OLR (~31 W m-2): hiệu ứng nhà kính •  => Tác động xạ mây tổng cộng ~ –17 W m-2 •  Mây làm cho khí hậu lạnh (Tại sao?) •  Bao nhiêu? Mây quan trắc trung bình |  Hầu hết mây cao đối lưu nhiệt đới (Amazon, Congo, Indonesia, W Pacific) |  Mây thấp (stratocumulus) chủ yếu phần phía đơng thủy vực đại dương cận nhiệt đới {  Những nơi có SST thấp {  Những nơi khơng khí chuyển động dáng {  Những nơi nghịch nhiệt mạnh |  Mây cao tập trung dải đối lưu nhiệt đới vùng xích đạo thuộc Nam Mỹ châu Phi, chủ yếu tập trung vùng Indonesia đông Ấn Độ tây Thái Bình Dương |  Mây thấp phổ biến bờ đông đại dương cận nhiệt đới (nhiệt độ mặt biển thấp) vĩ độ trung bình (mây tằng tích bị chặn lớp nghịch nhiệt) |  Mây tổng cộng chiếm ưu vùng đại dương, vĩ độ trung bình |  Cực tiểu mây tổng quan xuất vùng sa mạc cận nhiệt đới, biển Caribbe vùng cận nhiệt đới nam Thái Bình Dương, Đại Tây Dương Ấn Độ Dương Tác động trung bình năm mây |  “Tác động mây” hiệu giá trị đo điều kiện “trời quang” điều kiện chung (có mây) |  Tại bề mặt: {  (a) Nóng lên: H/Ư NK {  (b) Lạnh đi: Phát xạ lớn T lớn |  Tác động mây làm lạnh bề mặt, nóng lên |  Tác động sóng dài mây làm giảm OLR góp phần làm tăng nguồn xạ (làm khí hậu bề mặt ấm lên) {  Đóng góp lớn xảy vùng đối lưu dải hội tụ nhiệt đới (ITCZ), nơi nhiều mây cao với đỉnh lạnh |  Bức xạ mặt trời hấp thụ giảm lớn vùng (vì mây đối lưu sâu có albedo cao) |  Mây thấp vĩ độ cao làm giảm xạ mặt trời hấp thụ hiệu |  Đóng góp mây lớn làm giảm xạ mây thấp vĩ độ cao vùng mây tầng phía đơng đại dương cận nhiệt đới