Ch−ơng 3 Sự truyền bức xạ khí quyển và khí hậu
3.5.3 Năng l−ợng dao động
46
hút và lực đẩy cân bằng ở khoảng cách thích hợp giữa các nguyên tử. Năng l−ợng phân tử có thể đ−ợc tích luỹ d−ới dạng dao động xung quanh điểm ổn định này. Trạng thái của phân tử và các mức năng l−ợng cho phép lại bị l−ợng tử hoá. Sự chuyển mức dao động địi hỏi photon có b−ớc sóng nhỏ hơn 20 àm. Có ba dạng dao động độc lập đối với phân tử có ba nguyên tử nh− CO2: hai dạng duỗi và một dạng uốn (hình 3.3).
Các phân tử tuyến tính, đối xứng nh− CO2 khơng có mơmen l−ỡng cực cố định, vì hai đầu của nó giống nhau. Do đó nó khơng có sự chuyển mức quay thuần tuý. Trong khi chuyển mức dao động phân tử CO2 phát sinh mômen l−ỡng cực tạm thời sao cho sự chuyển mức quay có thể kèm theo sự chuyển mức dao động. Kết hợp sự chuyển mức dao động có thể và quay cho phép phân tử hấp thụ và phát xạ photon ở một dải rộng những tần số gần nhau tạo nên một dải hấp thụ.
Hơi n−ớc là chất hấp thụ tốt bức xạ trái đất vì nó là phân tử có ba ngun tử bị uốn. Vì bị uốn nên nó có mơmen l−ỡng cực cố định và do đó có những dải quay thuần tuý bổ sung vào các dải dao động−quay.
Những dải dao động−quay và quay thuần tuý của những phân tử đa nguyên tử giải thích cho sự hấp thụ sóng dài của khí quyển sạch đ−ợc chỉ ra trên hình 3.2. Dạng uốn của CO2 tạo ra dải hấp thụ dao động−quay mạnh gần 15 àm rất quan trọng đối với khí hậu và đặc biệt đối với tầng bình l−u, nơi hấp thụ sóng dài nhiều. Đặc điểm hấp thụ này là đặc biệt quan trọng vì nó xuất hiện gần đỉnh phổ phát xạ trái đất. Hơi n−ớc có dải dao động−quay quan trọng gần 6,3 àm, và dải xếp dày đặc các đ−ờng quay thuần tuý của hơi n−ớc hấp thụ một cách mạnh mẽ phát xạ trái đất ở những b−ớc sóng lớn hơn 12 àm. Giữa hai dải đặc tr−ng này hơi n−ớc hấp thụ t−ơng đối yếu, và do đó miền b−ớc sóng này đ−ợc gọi là cửa sổ hơi n−ớc vì chỉ trong phạm vi tần số này bức xạ sóng dài mới có thể xun qua khí quyển một cách t−ơng đối tự do (xem phần giữa của hình 3.2 và 3.4). ở giữa cửa sổ khí quyển là dải 9,6 àm của ozone. Tất cả những đặc điểm hấp thụ này kết hợp với nhau làm cho tầng đối l−u gần nh− mờ đục đối với bức xạ sóng dài.
Sự hấp thụ đáng kể nào đó do dải dao động−quay của các khí trong khí quyển cũng xuất hiện ở các b−ớc sóng gần hồng ngoại giữa khoảng 1 và 4 àm, chủ yếu do hơi n−ớc và carbon dioxide (hình 3.2 và 3.4). Những đặc điểm hấp thụ này giải thích cho hầu hết sự hấp thụ bức xạ mặt trời do các phân tử khí trong khí quyển. Những b−ớc sóng nhìn thấy (~0,3 − 0,8 àm) khơng bị chất khí hấp thụ làm cho khí quyển có tính thấu xạ ở những b−ớc sóng này. Bởi vì một tỷ lệ lớn năng l−ợng bức xạ mặt trời nằm trong dải b−ớc sóng nhìn thấy (hình 3.2) nên bức xạ mặt trời xuyên qua đ−ợc một cách t−ơng đối dễ dàng đến mặt đất, cung cấp nhiệt và ánh sáng cho mặt đất.