Ch−ơng 3 Sự truyền bức xạ khí quyển và khí hậu
3.3 Mô tả năng l−ợng bức xạ
Năng l−ợng bức xạ đ−ợc đo bởi c−ờng độ hoặc độ chói của nó. C−ờng độ đơn sắc mơ tả l−ợng năng l−ợng bức xạ (dFν) trong khoảng tần số (ν đến ν+dν) là dòng xuyên qua một số gia diện tích (dA) trong một góc khối (dω) của một h−ớng trong một khoảng thời gian (dt).
dFν = Iν cosθ dω dA dν dt (3.3)
H−ớng đ−ợc xác định bởi góc thiên đỉnh θ, và góc ph−ơng vị ϕ nh− đã chỉ ra trên hình 3.1. Độ lớn của c−ờng độ bức xạ Iν đ−ợc cho d−ới dạng năng l−ợng trong một đơn vị thời gian, trên một đơn vị diện tích, trong một khoảng đơn vị tần số, trên một đơn vị góc khối, hoặc Watt trên mét vng trên Hertz trên Steradian.
42
Trong quyển sách này, ta chủ yếu quan tâm đến tổng năng l−ợng trên một đơn vị tần số qua một đơn vị diện tích mặt phẳng, từ mặt này sang mặt kia. Để nhận đ−ợc đại l−ợng này ta tích phân c−ờng độ bức xạ trên tồn bộ góc khối trong bán cầu. Muốn vậy ta cần định nghĩa số gia góc khối
dω = sinθ dθ dϕ (3.4) Đ−a (3.4) vào (3.3) và lấy tích phân trên bán cầu phía trên ta nhận đ−ợc
∫ ∫ππ νν =2 θϕ θ θ θ ϕ ν =2 θϕ θ θ θ ϕ 0 2 / 0 d d sin cos ) , ( I F (3.5)
Đại l−ợng này đ−ợc gọi là mật độ thông l−ợng phổ. Nếu Fν đ−ợc tích phân trên tất cả các tần số ta nhận đ−ợc mật độ dịng có đơn vị là W/m2 ∫ ∞ ν ν = 0 d F F (3.6)
Hình 3.1 Sơ đồ chỉ góc xác định bức xạ đi qua diện tích đơn vị dA trong mặt phẳng x−y, theo
h−ớng đ−ợc xác định bởi góc thiên đỉnh θ và góc ph−ơng vị ϕ bên trong số gia góc khối dω.
Khi tia bức xạ chạm vào một đối t−ợng nh− một phân tử khí, hạt xon khí hoặc một mặt rắn, một vài khả năng t−ơng tác giữa bức xạ và đối t−ợng có thể xảy ra. Bức xạ có thể xuyên qua đối t−ợng mà khơng bị biến đổi gì cả, nó đ−ợc gọi là sự truyền xạ hồn tồn (hay thấu xạ − ND). Bức xạ có thể đổi h−ớng mà khơng biến đổi năng l−ợng, nó đ−ợc gọi là tán xạ thuần tuý. Bức xạ có thể bị hấp thụ, trong đó năng l−ợng của nó đ−ợc truyền cho đối t−ợng. Khả năng photon sẽ bị tán xạ, hấp thụ hoặc truyền qua phụ thuộc vào tần số bức xạ và tính chất vật lý của đối t−ợng đang xem xét. Những giọt n−ớc tinh khiết trong mây làm tán xạ bức xạ nhìn thấy rất hiệu quả vì khi đó chỉ xảy ra sự hấp thụ t−ơng đối nhỏ. Hơi n−ớc và carbon dioxide là những chất hấp thụ bức xạ nhiệt hồng ngoại rất hữu hiệu ở những tần số nhất định. Vật chất cũng có thể làm tăng c−ờng độ tia bức xạ bằng cách phát xạ theo h−ớng của tia. Sự phát xạ bức xạ của vật chất phụ thuộc vào các thuộc tính vật lý của chất liệu và nhiệt độ của nó.