Từ đ−ờng cong thấp nhất trong hình 2.12 ta thấy rằng bức xạ thuần trung bình năm là h−ớng xích đạo d−ơng ở khoảng vĩ độ 40o
và h−ớng cực âm ở vĩ độ này. Nh− đã minh hoạ trên hình 2.13, cân bằng năng l−ợng đối với hệ thống khí hậu chỉ bao gồm sự trao đổi tại đỉnh khí quyển, sự vận chuyển qua các biên xung quanh vùng đ−ợc xét do khí quyển và đại d−ơng, và tốc độ biến đổi năng l−ợng theo thời gian trong vùng. Sự trao đổi năng l−ợng với đất thuần (the solid earth) có thể đ−ợc bỏ qua. Ta có thể viết cân bằng năng l−ợng cho hệ thống khí hậu nh− sau:
ao TOA ao R F t E ∆ − = ∂ ∂ (2.19) trong đó t Eao ∂ ∂
là tốc độ biến đổi địa ph−ơng của l−ợng năng l−ợng chứa trong hệ thống khí hậu, RTOA là bức xạ thuần đến tại đỉnh khí quyển, và ∆Fao là phân kỳ của thơng l−ợng ngang trong khí quyển và đại d−ơng.
34
Hình 2.9 Bản đồ albedo hành tinh tồn cầu: trung bình năm (a), trung bình mùa hè (tháng 6,7,8)
(b) và trung bình mùa đơng (tháng 12,1,2) (c). Các giá trị cho d−ới dạng thập phân. Khoảng cách giữa các đ−ờng là 0.05. Những giá trị lớn hơn 0.4 đ−ợc tô đậm; những giá trị nhỏ hơn 0.2 đ−ợc tơ
Hình 2.10 Bản đồ tồn cầu phát xạ sóng dài mất vào vũ trụ: (a) trung bình năm, (b) các tháng
6,7,8 và (c) các tháng 12,1,2 . Đ−ờng đẳng trị vẽ qua 10Wm−2. Giá trị lớn hơn 280 Wm−2 tô nhạt, giá trị nhỏ hơn 240 Wm−2 tơ đậm
36
Hình 2.11 Bản đồ tồn cầu bức xạ thuần tại đỉnh khí quyển (a) trung bình năm (b) các tháng 6,7,8
và (c) các tháng 12,1,2 . Đ−ờng đẳng trị vẽ qua 20Wm−2. Giá trị lớn hơn 80 Wm−2 tô nhạt, giá trị nhỏ hơn 0 Wm−2 tơ đậm
Hình 2.12 Đồ thị bức xạ mặt trời hấp thụ đ−ợc trung bình năm, OLR, và bức xạ thuần lấy trung
bình xung quanh các vịng vĩ tuyến
Hình 2.13 Sơ đồ cân bằng năng l−ợng của hệ thống khí hậu
Hình 2.14 Vận chuyển năng l−ợng kinh h−ớng trung bình năm. Bức xạ thuần và vận chuyển do
khí quyển đ−ợc −ớc l−ợng từ quan trắc; vận chuyển của đại d−ơng đ−ợc tính nh− là phần d− trong cân bằng năng l−ợng. (Dựa theo Vonder Haar and Oort, 1973). Sử dụng với sự cho phép
của Hiệp hội Khí t−ợng Mỹ (American Meteorological Society)
Nếu lấy trung bình trong một năm, khi đó thành phần tích luỹ là nhỏ và ta có xấp xỉ cân bằng giữa thơng l−ợng thuần tại đỉnh khí quyển và sự vận chuyển ngang:
38
RTOA = ∆Fao (2.20) Sau đó ta có thể sử dụng quan trắc bức xạ thuần trong hình 2.12 để nhận năng
l−ợng trung bình năm cần thiết vận chuyển theo h−ớng bắc − nam. Nếu ta lấy tích phân bức xạ thuần lên đến vùng đỉnh cực ta có thể tính đ−ợc dịng năng l−ợng tổng cộng đi qua mỗi dải vĩ tuyến nh− sau:
φ φ π − π = φ λ φ ∫ ∫R a cos d d F 2 2 0 2 TOA (2.21)
Dòng năng l−ợng h−ớng về phía bắc tổng cộng vào khoảng 5ì1015
W, hay 5 petawatts (PW) (hình 2.14). Dịng này bao gồm những đóng góp từ cả khí quyển và đại d−ơng. Dịng năng l−ợng trong khí quyển có thể đ−ợc −ớc l−ợng từ các quan trắc gió, nhiệt độ, và độ ẩm bằng khí cầu và vệ tinh. Nếu lấy dòng tổng cộng trừ đi dòng này sẽ nhận đ−ợc −ớc l−ợng của dòng năng l−ợng trong đại d−ơng, mà việc −ớc l−ợng nó từ đo đạc trực tiếp khó khăn hơn rất nhiều.
Tại vĩ độ 30o
sự đóng góp từ các dịng h−ớng cực của khí quyển và đại d−ơng là mỗi dòng khoảng 2.5 PW. Dòng đại d−ơng đạt cực đại ở khoảng vĩ độ 20o
N trong vùng cận nhiệt đới, trong khi đó dịng khí quyển có cực đại trải rộng từ 30o
N đến 60o
N. Trong các ch−ơng 6 và 7 ta sẽ khảo sát chi tiết hơn tại sao khí quyển và đại d−ơng đạt đ−ợc dòng năng l−ợng h−ớng cực này. Nếu vỏ chất lỏng bao bọc trái đất không vận chuyển nhiệt về cực thì ở nhiệt đới sẽ nóng hơn và các vùng cực sẽ lạnh hơn nhiều. Sự vận chuyển nhiệt do khí quyển và đại d−ơng làm cho khí hậu trái đất ơn hồ hơn nhiều so với tr−ờng hợp khơng có sự vận chuyển này.
Nếu ta lấy tích phân trên toàn cầu, sự vận chuyển theo ph−ơng ngang sẽ bằng 0, vì năng l−ợng từ trái đất hình cầu khơng thể bị mất đi thông qua sự vận chuyển ngang. Khi đó trung bình năm tồn cầu của bức xạ thuần hầu nh− gần bằng 0. Bất kỳ sự mất cân bằng bức xạ thuần trung bình tồn cầu sẽ dẫn đến trái đất nóng lên hoặc lạnh đi.