Đề tài Bức xạ mặt trời, khí quyển và bài tập tự nhiên đại cương

 BỨC XẠ MẶT TRỜI, KHÍ QUYỂN VÀ BÀI TẬP TỰ NHIÊN ĐẠI CƯƠNG 
I/ BỨC XẠ MẶT TRỜI 
1. Khái niệm. 
 Bức xạ Mặt Trời được hiểu là các dòng vật chất và năng lượng do Mặt Trời phát 
ra. Đây chính là nguồn năng lượng chính cho các quá trình phong hoá, bóc mòn, vận 
chuyển và bồi tụ trên Trái Đất, cũng như chiếu sáng và sưởi ấm cho các hành tinh trong 
Hệ Mặt Trời. 
2. Phân phối bức xạ Mặt Trời 
 Coi toàn bộ năng lượng bức xạ 
Mặt Trời phát ra là 100%, có 47% 
bức xạ Mặt Trời được Trái Đất hấp 
thụ, 4% tới bề mặt Trái Đất lại bị 
phản hồi vào không gian. 
 Tuy rằng 47% lượng bức xạ 
Mặt Trời được Trái Đất hấp thụ, 
nhưng sự phân bố bức xạ Mặt Trời 
trên Trái Đất lại không giống nhau ở 
mọi địa điểm. 
 Hình 1. Phân phối năng lượng 
 Mặt Trời. 
a. Theo vĩ độ 
 Lượng nhập xạ có xu hướng giảm dần từ vùng có vĩ độ thấp tới các vùng có vĩ 
độ cao hơn. Lượng bức xạ ít nhất ở bắc cực, khoảng 55-75 kcal/cm2/năm, cao nhất ở 
miền núi nhiệt đới và hoang mạc nhiệt đới (200-220 kcal/cm2/năm). Ở nhiệt đới và xích 
đạo, vì bầu trời nhiều mây nên lượng tổng xạ thấp hơn, từ 120-160 kcal/cm2/năm. Ở 
Việt Nam tổng xạ thay đổi trong khoảng 110-180 kcal/cm2/năm, nói chung miền Bắc 
thấp hơn miền Nam. Tại Alaska bức xạ mặt trời lớn nhất vào mùa hè là 2 J/cm2/phút, 
nhưng do ngày dài 24 tiếng nên tổng xạ có thể đạt 1255-2092 j/cm2/ngày. Ngược lại, ở 
vùng nhiệt đới bức xạ mặt trời lớn nhất có thể đạt 6,7 J/cm2/phút, nhưng vì ngày dài 12 
tiếng nên tổng xạ chỉ đạt khoảng 4500-5000 J/cm2/ngày. 
 Bảng 1: Phân bố bức xạ Mặt Trời theo vĩ độ ở Bắc bán cầu vào các ngày 21/3, 
22/6, 23/9, 22/12 (đơn vị: cal/cm2/ngày) 
 1 phân (ngày 21/03) và thu phân (ngày 23/09)), và khi đó tất cả các điểm trên trái đất có 
độ dài ngày và đêm là bằng nhau (12 tiếng). Ba tháng sau xuân phân, khi trái đất đã 
quay được một phần tư đường đi của nó quanh mặt trời, nó sẽ đạt tới điểm mà ở đó hạ 
chí tuyến là điểm của trái đất gần nhất với mặt trời (ngày 21/06: hạ chí của bán cầu 
bắc). Vào ngày hạ chí, độ dài ngày ở bắc cực là 24 giờ, trong khi đó ở nam cực hoàn 
toàn là đêm. Vùng xích đạo tiếp tục nhận khoảng 12 giờ chiếu sáng, trong khi đó ở ôn 
đới đêm trở nên ngắn hoặc dài tùy theo bán cầu. Khi trái đất quay ra xa hơn qũy đạo 
của mặt trời, nó tiến đến điểm thu phân (ngày 23/09), và khi đó độ dài ngày trở lại 12 
giờ trên tất cả trái đất. Ba tháng sau thu phân, ngày 22/12 là ngày đông chí của bán cầu 
bắc. Lúc này đêm của bắc cực kéo dài 24 giờ, vùng ôn đới thuộc bán cầu bắc có độ dài 
ngày mùa đông dài hơn, trong khí đó ở vùng ôn đới thuộc nam bán cầu lại có độ dài 
ngày hè dài hơn. 
- Giữa các mùa trong năm. 
 Bảng 2: Lượng nhập xạ tại một số địa điểm trong năm (cal/cm2/ngày) 
 Tháng Saint Maur – Pháp (490B, 50m) Irkuotsk – Nga (520B, 467m) 
 1 75 28 
 2 133 97 
 3 248 204 
 4 358 260 
 5 441 285 
 6 482 384 
 7 462 345 
 8 390 272 
 9 293 172 
 10 178 118 
 11 86 35 
 12 60 28 
 TB năm 267 186 
 Như vậy ta có thể thấy, lượng nhập xạ tại một địa điểm bất kì ở Bắc bán cầu đều 
có xu hướng tăng dần và đạt cực đại vào tháng 6, sau đó lại giảm dần và đạt cực tiểu 
vào tháng 12. Hay nói cách khác, lượng nhập xạ lớn vào mùa hạ và nhỏ hơn vào mùa 
đông. 
 Nguyên nhân do độ dài của ngày và góc nhập xạ của tia sáng Mặt Trời thay đổi 
có qui luật và theo chu kì phụ thuộc vào chuyển động tịnh tiến của Trái đất quanh Mặt 
trời. 
 Thời gian chiếu sáng quyết định lượng bức xạ đưa tới, còn góc nhập xạ ảnh 
hưởng trực tiếp tới cường độ nhập xạ. Vì vậy, cường độ nhập xạ và thời gian chiếu sáng 
 3 Khi tia sáng chiếu đến bề mặt đất, bức xạ mặt trời lúc đó được chia ra 2 phần: 
hấp thu và phản xạ. Tỷ lệ (%) giữa bức xạ phản xạ và bức xạ tổng số được gọi là 
albedo. Albedo và bức xạ hấp thu phụ thuộc vào tính chất của bề mặt đệm như sau: 
 Đối tượng Phản xạ, % Hấp thu ,% 
 - Đất khô, sáng 19 81 
 - Nước biển 70 30 
 - Cát khô, sáng 37 63 
 - Đồng cỏ 35 65 
 - Rừng lá sáng 30 70 
 - Rừng lá tối 18 82 
 Dễ dàng nhận thấy trên lục địa mức độ hấp thu bức xạ Mặt Trời cao hơn hắn so 
với đại dương. Tuy nhiên trên lục địa lại phụ thuộc vào tính chất bề mặt đệm khác nhau. 
Điếu đó có ảnh hưởng quan trọng tới sự phân bố nhiệt độ của không khí trên bề mặt 
Trái Đất. 
 Theo nghiên cứu của các nhà khoa học, phần bức xạ từ mặt đất phát ra, một phần 
mất đi vào khoảng không vũ trụ, một phần bị không khí hấp thu và sau đó bức xạ trở lại 
trái đất. Phần bức xạ phản chiếu trở lại khoảng không vũ trụ không đem lại lợi ích gì 
cho bề mặt trái đất, chúng chỉ có ý nghĩa giúp tạo ra hình nổi trên ảnh khi chụp ảnh mặt 
đất từ các vệ tinh và máy bay. Phần bức xạ phản chiếu trở lại Trái đất là các bước sóng 
dài, được sinh vật, đất, đá và hơi nước hấp thu. Năng lượng hấp thu bởi các vật thể trên 
mặt đất làm tăng nhiệt độ của các vật thể, làm bốc hơi nước hoặc được cố định trong 
các phân tử cao năng lượng (ATP - Adenozintriphotphas) trong quá trình quang hợp của 
thực vật. 
 Khi sự hấp thu năng lượng có kết quả làm tăng nhiệt độ của các vật thể hấp thu 
năng lượng, thì một phần năng lượng sẽ bức xạ trở lại. Năng lượng phát ra từ mặt đất là 
năng lượng có bước sóng dài (tia hồng ngoại với  1 m), do đó gây ra hiệu ứng ấm 
trong lớp không khí bao quanh mặt đất. Vì kết quả của quá trình này nên không khí 
hoạt động giống như lớp kính của nhà kính, nghĩa là nó cho các tia sáng nhìn thấy đi 
qua, nhưng giữ lại bức xạ hồng ngoại. Nhà kính hoạt động giống như một bộ máy tích 
lũy năng lượng mặt trời, kết quả làm nhiệt độ bên trong nó cao hơn nhiệt độ không khí 
xung quanh. Bằng cách tạo ra hiệu ứng nhà kính, không khí chứa hơi nước và CO2 sẽ 
tích lũy năng lượng mặt trời và do đó nó đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì nhiệt 
độ của các hệ sinh thái nằm trong giới hạn đảm bảo sự sống cho các sinh vật. 
 5 Bầu khí quyển không có ranh giới rõ ràng với khoảng không vũ trụ nhưng mật 
độ không khí của khí quyển giảm dần theo độ cao. Ba phần tư khối lượng khí quyển 
nằm trong khoảng 11 km đầu tiên của bề mặt hành tinh. 
b. Vai trò của khí quyển: 
 - Cung cấp các khí cần thiết cho sự sống 
 VD: Cung cấp oxi cho động vật, nitơ cho thực vật, axit nitric trong nước mưa là 
chất bón tốt cho thực vật; cacbonic cho quang hợp của cây cỏ 
 - Bảo vệ Trái đất, chống lại những tác động bất lợi từ bên ngoài 
 VD: Tầng cao của khí quyển ngăn lại phần lớn các tia vũ trụ mặt đất không bị 
thiêu hủy; lớp ozon lọc bớt và giữ lại 1 số tia tử ngoại; Khí quyển làm cho các thiên 
thạch rơi xuống bị bốc cháy hoặc tan vỡ trước khi rơi xuống bề mặt TĐ. 
 - Giúp điều hòa nhiệt độ Trái Đất. 
 - Là nơi diễn ra vòng tuần hoàn nước, các hiện tượng thời tiết. 
 - Khuyếch tán tia sáng mặt trời, làm cho bầu trời trong sáng, điều hòa ánh sáng 
và màu sắc, nhờ có khí quyển mới có hiện tượng bình minh, hoàng hônphụ thuộc vào 
sự gẫy khúc, khuyếch tán của tia sáng trong khí quyển. 
 - Giúp cho việc truyền âm thanh phản hồi sóng vô tuyến điện. 
c. Cấu trúc của khí quyển 
* Cấu trúc thẳng đứng: 
Các tầng khí 
 Vị trí, độ dày Đặc điểm Vai trò 
 quyển 
 - Không khí chuyển động theo - Điều hoà 
 chiều thẳng đứng. nhiệt độ của 
 - Nhiệt độ giảm theo độ cao. TĐ có thể duy 
 - Ở xích đạo: 0 – 
 - Chứa 80% không khí và hơn trì được sự 
 16 km 
Tầng đối lưu 3/4 lượng hơi nước. sống. 
 - Ở cực: 0 – 8 km - Hơi nước giữ 60% và CO2 
 giữ 18% nhiệt độ bề mặt Trái - Là hạt nhân 
 đất toả vào không khí. ngưng kết gây 
 - Bụi, muối, khí ra mây, mưa 
 - Không khí khô và chuyển 
 Từ giới hạn trên động theo chiều ngang. - Tầng odôn 
 Tầng bình bảo vệ TĐ 
 của tầng đối lưu - Nhiệt độ tăng theo độ cao. 
 lưu 
 đến 50km khỏi tia cực 
 - Có tầng ôdôn ở độ cao 28 tím 
 km. 
 Tính từ tầng bình 
 - Nhiệt độ giảm mạnh theo độ 
 Tầng giữa lưu lên độ cao 
 80km cao. 
 Tầng ion Từ độ cao 80 km - Không khí hết sức loãng, - Phản hồi sóng 
 7 Nhiệt độ không khí ở mỗi nơi lên xuống liên tục từ ngày sang đêm và từ mùa 
 này sang mùa khác: 
 Ban ngày, Mặt Trời càng lên cao thì cường độ bức xạ Mặt Trời càng lớn; cường 
 độ bức xạ mặt đất cũng tăng lên nhưng chậm hơn. Cư ờng độ bức xạ mặt trời lớn nhất 
 là lúc 12 giờ trưa, cường độ bức xạ mặt đất cao nhất là lúc 14 - 16h. Vì vậy, nhiệt độ 
 của lớp không khí gần mặt đất cao nhất là trong khoảng 14 - 16h 
 Ban đêm, khi bức xạ mặt trời không có thì bức xạ mặt đất cũng yếu dần, cường 
 độ bức xạ mặt đất thấp nhất là lúc 4 - 6h sáng (mùa đông là 6-8h sáng) nên nhiệt độ của 
 lớp không khí gần mặt đất cũng xuống thấp nhất trong khoảng thời gian này. 
 Ở bán cầu Bắc, từ ngày 21-3 đến ngày 22-6 góc chiếu của tia sáng mặt trời lớn 
 dần, ngày càng dài dần, mặt đất ngày càng thu được nhiều nhiệt và cũng toả nhiệt vào 
 không khí ngày càng nhiều, đến tháng 7 thì nhiệt độ của lớp không khí gần mặt đất lên 
 cao nhất. Từ ngày 23-9 đến hết ngày 22-12, góc chiếu của tia sáng mặt trời nhỏ dần, 
 ngày cũng ngắn dần, mặt đất ngày càng thu ít nhiệt, và toả nhiệt vào không khí ngày 
 càng ít, đến tháng 1 thì nhiệt độ của lớp không khí gần mặt đất xuống thấp nhất. 
 Ở bán cầu Nam, ngược lại, tháng 1 có nhiệt độ lên cao nhất và tháng 7 có nhiệt 
 độ xuống thấp nhất. 
 * Phân bố nhiệt độ không khí trên bề mặt Trái Đất. 
 - Về nhiệt độ trung bình năm: 
 + Nhiệt độ trung bình năm thay đổi theo vĩ độ địa lí. Nhìn chung, càng lên vĩ độ cao thì 
 nhiệt độ trung bình năm càng giảm. Những địa điểm có nhiệt độ trung bình năm thấp 
 nhất đều nằm ở miền gần Địa cực, đặc biệt là trên các lục địa. Tuy nhiên, những địa 
 điểm có nhiệt độ trung bình năm cao nhất không nằm dọc theo Xích đạo mà ở khoảng 
 100B. Nguyên nhân là ở Xích đạo, bề mặt bên dưới phần lớn là biển hoặc rừng rậm, hơi 
 nước nhiều, hạn chế sự nhận nhiệt của lớp không khí gần mặt đất. 
 Bảng: Phân phối nhiệt độ trung bình năm ở các vĩ độ (oC) 
 o o o o o o o
 Vĩ độ 0o 10o 20o 30 40 50 60 70 80 90 
Bán cầu Bắc 25,4 26,0 25,0 20,4 14,0 5,4 -0,6 -10,4 -17,2 -19,0 
Bán cầu Nam 25,4 24,7 22,8 18,3 12,0 5,3 -3,4 -13,6 -27,0 -33,0 
 + Nhiệt độ trung bình năm thay đổi theo vị trí ở lục địa hay hải dương. Nhiệt độ ở hải 
 dương ôn hoà hơn ở lục địa; vì thế, những nơi có nhiệt độ trung bình năm cao nhất hoặc 
 thấp nhất đều nằm trên các lục địa. 
 + Nhiệt độ trung bình năm thay đổi theo bờ đông hay bờ tây các đại dương. Ở vĩ độ 
 9