Ch−ơng 3 Sự truyền bức xạ khí quyển và khí hậu
3.5.7 Vạch hấp thụ và vạch mở rộng
Khí quyển là chất hấp thụ rất hữu hiệu ở những tần số riêng biệt t−ơng ứng với sự chuyển năng l−ợng của các khí trong khí quyển. Ta có thể gọi mỗi một trong những đặc điểm hấp thụ riêng biệt đó là vạch hấp thụ. Tập hợp những vạch hấp thụ trong một khoảng tần số riêng biệt có thể đ−ợc gọi là dải hấp thụ. Sự chuyển
mức dao động và quay là mối quan tâm cơ bản đối với hấp thụ và phát xạ bức xạ trái đất trong khí quyển, vì các mức năng l−ợng liên quan với sự chuyển mức này t−ơng ứng với năng l−ợng photon của bức xạ nhiệt hồng ngoại. Những phân tử có nhiều nguyên tử nh− H2O, CO2, O3, CH4, N2O và nhiều phân tử khác nữa, có dải dao động quan trọng trong phần hồng ngoại nhiệt của phổ điện từ (hình 3.4, bảng 3.1). Vì sự chuyển mức quay đòi hỏi năng l−ợng thấp hơn, các phân tử có sự chuyển mức quay thuần tuý có thể cho một dải dày đặc các tuyến (vạch − ND) quay. Đây là tr−ờng hợp đối với hơi n−ớc, nó có nhiều vạch hấp thụ quay tại những tần số gần nhau mà từ đó dải quay hấp thụ nhiều phát xạ của trái đất ở những b−ớc sóng nằm trong khoảng 12 − 200àm.
Bảng 3.1 B−ớc sóng của các dạng dao động của một số phân tử khí quan trọng
Dạng dao động Loại phân tử ν1 ν2 ν3 CO 4,67 CO2 15,0 4,26 N2O 7,78 17,0 4,49 H2O 2,73 6,27 2,65 O3 9,01 14,2 9,59 NO 5,25 NO2 7,66 13,25 6,17 CH4 3,43 6,52 3,31 CH4 5,25
Đơn vị đo là micromet (àm) [Theo Herzberg và Herzerg (1957) McGraw Hill, Inc. và theo Shimanouchi (1967a, 1967b, 1968)]
Một phần của phổ vạch hấp thụ có thể thấy nh− trên hình 3.5a. Các vạch khơng phải ln ln cách đều nhau hoặc mạnh nh− nhau, vì một số chuyển mức có khả năng xảy ra hơn một số khác. Độ rộng của vạch phụ thuộc vào các quá trình mở rộng (broaden), bao gồm sự mở rộng tự nhiên, sự mở rộng áp lực và sự mở rộng Doppler. Sau khi mở rộng phổ hấp thụ có thể có sự hấp thụ đáng kể giữa các tâm vạch (hình 3.5b).
Sự mở rộng tự nhiên có liên quan với thời gian hữu hạn của sự phát xạ hoặc hấp thụ photon và với nguồn gốc không chắc chắn (the uncertainty principle). Nếu ta biết năng l−ợng một cách chính xác, khi đó ta chỉ có thể biết tần số đến độ chính xác hữu hạn. Cơ chế này thơng th−ờng ít quan trọng hơn sự mở rộng áp lực hoặc Doppler.
Sự mở rộng áp lực (cũng còn gọi là sự mở rộng va chạm) gây ra bởi sự va chạm giữa các phân tử hoặc nguyên tử, có thể cung cấp hoặc lấy đi một l−ợng nhỏ năng l−ợng trong khi truyền bức xạ, bằng cách đó cho phép các photon có phạm vi tần số rộng hơn tạo ra sự chuyển mức đặc thù của phân tử. Đây là cơ chế mở rộng cơ bản
50
trong tầng đối l−u.
Sự mở rộng Doppler là kết quả của sự dịch chuyển phân tử đối với photon, nó có thể làm cho tần số bức xạ bị dịch chuyển Doppler. Điều đó lại cho phép những tần số bức xạ phạm vi rộng hơn ảnh h−ởng đến sự chuyển mức đặc thù. Sự mở rộng Doppler trở thành cơ chế chiếm −u thế ở những độ cao, nơi ít xảy ra sự va chạm.
Hình 3.5 Phổ vạch giả thuyết (a) tr−ớc khi mở rộng (b) sau khi mở rộng
Hình 3.6 Các dạng đ−ờng tạo ra do áp suất (dạng đ−ờng Lorentz) và sự mở rộng Doppler đối với
cùng tuyến độ rộng (α) và c−ờng độ ở tần suất tâm vo nào đó (Theo Goody và Yung, 1989. In lại với sự cho phép của Oxford University Press.)
Sự mở rộng áp lực chiếm −u thế ở tầng đối l−u và làm cho các vạch có hình dạng đặc tr−ng và rộng (hình 3.6). Hình dạng vạch là quan trọng. Sự hấp thụ có khả năng xảy ra nhất tại tần số t−ơng ứng với sự thay đổi năng l−ợng phân tử giữa hai trạng thái, và tần số này định vị tại tâm của vạch. Khả năng hấp thụ giảm khi ra xa tâm vạch nh−ng vẫn còn đáng kể ở khoảng tần số nào đó. Đặc điểm hấp thụ
yếu ở khoảng cách xa tâm vạch đ−ợc gọi là “cánh” (wing) của vạch hấp thụ. Đối với những vạch hấp thụ mạnh, bức xạ ở những tần số gần tâm của vạch bị hấp thụ hoàn toàn sau khi qua một khoảng cách t−ơng đối nhỏ trong khí quyển. D−ới những điều kiện này hầu hết sự truyền năng l−ợng đ−ợc thực hiện bởi các tần số trong các “cánh” của các vạch hấp thụ, nơi mà sự hấp thụ là yếu hơn. Sự mở rộng áp lực, mà nó tạo nên dạng vạch Lorentz và có các “cánh” rộng, là đặc biệt hữu hiệu khi hấp thụ và phát xạ ở cách xa tâm vạch.
Phần lớn khí quyển đ−ợc cấu thành từ các phân tử nitơ và ôxy. Đây là những phân tử gồm hai ngun tử khơng có mơmen l−ỡng cực thậm chí cả khi dao động. Bởi vậy chúng khơng có sự chuyển mức dao động−quay ở những năng l−ợng nhỏ t−ơng ứng với bức xạ trái đất. Nh− vậy nó là những l−ợng rất nhỏ tập trung lại của các phân tử đa nguyên tử mà chúng quyết định sự truyền hồng ngoại của khí quyển. Những khí quan trọng nhất là hơi n−ớc, carbon dioxide và ozone (xếp theo thứ tự), nh−ng nhiều khí khác cũng đóng góp một cách đáng kể (hình 3.2). Ngoại trừ đối với vùng nằm giữa 8 và 12 àm, khí quyển gần nh− mờ đục đối với bức xạ trái đất. Đặc điểm hấp thụ cơ bản đối với bức xạ trái đất là dải dao động−quay gần 6,3àm của hơi n−ớc, dải 9,6àm của ozone, dải 15àm của carbon dioxide, và dải quay dày đặc của hơi n−ớc mà nó trở nên quan trọng hơn ở các b−ớc sóng dài hơn 12àm.
Bức xạ nhìn thấy vừa q mạnh để bị hấp thụ bởi hầu hết các khí trong khí quyển vừa khơng đủ mạnh để quang ly các khí này, do đó khí quyển hầu nh− trong suốt (thấu xạ) đối với nó. Bức xạ mặt trời có các b−ớc sóng nằm trong khoảng 0,75−5àm, mà ta sẽ gọi là bức xạ gần hồng ngoại, bị hấp thụ một cách yếu ớt bởi n−ớc, carbon dioxide, ozone, và ơxy (hình 3.2). Hầu hết bức xạ tử ngoại từ mặt trời với các b−ớc sóng ngắn hơn 0,2àm bị hấp thụ trong lớp khí quyển tầng cao thơng qua sự quang ly và ion hố nitơ và ơxy. Bức xạ ở những tần số giữa 0,2−0,3àm bị hấp thụ bởi ozone trong tầng bình l−u.