Khí hậu của Trái đất là một hệ thống được cung cấp năng lượng từ Mặt trời. Trong suốt một năm trên toàn cầu, hệ thống Trái Đất - bề mặt đất, đại dương và bầu khí quyển - hấp thụ trung bình một nguồn năng lượng mặt trời 240 W/m2 (1W=1J/s). Ánh sáng mặt trời hấp thụ thúc đẩy quá trình quang hợp, sự bốc hơi nhiên liệu, làm tan băng tuyết và làm ấm hệ thống Trái Đất.

Vật lý Thiên văn - vatlythienvan.comNăng lượng Mặt Trời điều khiển khí hậu Trái Đất. Năng lượng từ Mặt Trời làm nóng bề mặt, làm ấm bầu khí quyển và cung cấp năng lượng cho dòng hải lưu. (Astronaut photograph ISS015-E-10469, courtesy NASA/JSC Gateway to Astronaut Photography of Earth.)

Bởi Trái đất là một quả cầu, do đó Mặt trời không sưởi ấm Trái Đất một cách đồng đều, các vùng xích đạo nhận nhiều năng lượng hơn các vùng cực. 

Bầu khí quyển và đại dương vận động không ngừng cho đến khi hết mất cân bằng nhiệt thông qua sự bay hơi nước bề mặt, đối lưu, lượng mưa, gió và dòng hải lưu. Bầu khí quyển và dòng hải lưu được xem như là động cơ nhiệt của Trái Đất.

Động cơ nhiệt này không chỉ giúp phân bố lại nhiệt từ Mặt Trời từ xích đạo tới các cực, mà còn từ bề mặt Trái Đất và tầng khí quyển thấp trở lại không gian. Nếu không thì Trái Đất của chúng ta sẽ không ngừng nóng lên. Tất nhiên, nhiệt độ trên Trái Đất không tăng lên đến vô cùng bởi bề mặt và không khí cũng đồng thời tỏa nhiệt vào không gian. Dòng năng lượng vào và ra khỏi hệ thống Trái Đất này chính là ngân sách năng lượng của Trái Đất.

Vật lý Thiên văn - vatlythienvan.com

Năng lượng mà Trái Đất nhận được từ ánh sáng Mặt Trời được cân bằng bởi một lượng năng lượng tương đương tỏa vào không gian. Năng lượng thoát ra dưới dạng bức xạ hồng ngoại nhiệt: giống như năng lượng tỏa ra từ đèn nhiệt. (Minh họa của NASA bởi Robert Simmon.)

Khi dòng năng lượng mặt trời nhật được cân bằng với dòng nhiệt tỏa ra không gian, Trái Đất sẽ ở trạng thái cân bằng bức xạ, và nhiệt độ toàn cầu sẽ được giữ ổn định. Bất cứ yếu tố nào làm tăng hoặc giảm năng lượng nhận được hoặc tỏa ra điều làm rối loạn cân bằng bức xạ của Trái Đất, khiến cho nhiệt độ toàn cầu tăng hoặc giảm xuống.

Ánh sáng tới từ Mặt Trời

Tất cả vật chất trong vũ trụ có nhiệt độ trên độ không tuyệt đối (nhiệt độ mà tại đó tất cả các chuyển động của nguyên tử hoặc phân tử đều dừng lại) đều tỏa năng lượng dưới dạng các bước sóng trong phổ điện từ. Một vật càng nóng, bước sóng cực đại của năng lượng bức xạ càng ngắn. Những vật thể nóng nhất trong vũ trụ chủ yếu phát ra các tia gamma và tia X. Các vật thể lạnh hơn phát ra các bước sóng dài hơn, bao gồm ánh sáng nhìn thấy, tia hồng ngoại nhiệt, sóng vô tuyến (radio) và vi sóng (microwave).

(Minh họa từ Robert Rohde.)


Bề mặt của Mặt Trời có nhiệt độ khoảng 5,800 độ Kelvin (khoảng 5,500 độ C, hay 10,000 độ F). Tại nhiệt độ đó, phần lớn năng lượng Mặt Trời bức xạ tại khoảng ánh sáng nhìn thấy và cận hồng ngoại. Tại khoảng cách trung bình từ Trái Đất tới Mặt Trời (khoảng 150 triệu km), cường độ năng lượng trung bình tại rìa của bầu khí quyển nơi đối diện trực tiếp với Mặt Trời là khoảng 1360 W/m2, theo các phép đo từ các vệ tinh mới đây của NASA. Lượng năng lượng này được gọi là tổng bức xạ mặt trời. (Trước khi các nhà khoa học phát hiện ra rằng nó thay đổi bởi một lượng nhỏ trong chu kỳ vệt đen mặt trời, đôi khi tổng bức xạ mặt trời được gọi là “hằng số mặt trời”.)

Tổng bức xạ mặt trời là lượng năng lượng tối đa mà Mặt trời có thể cung cấp tới một hành tinh ở khoảng cách trung bình của Trái Đất từ Mặt trời; cấu trúc hình cầu đã giới hạn nguồn năng lượng mặt trời tới Trái Đất. Tại một thời điểm nhất định, chỉ một nửa bề mặt của Trái Đất được Mặt trời chiếu vào, do đó tổng lượng bức xạ đã bị giảm đi một nửa.

(Minh họa của NASA bởi Robert Simmon.)


Thêm vào đó, tổng lượng bức xạ đạt cực đại khi Mặt trời cung cấp cho một bề mặt vuông góc với hướng ánh sáng tới. Vì Trái Đất là một khối cầu, nên chỉ có những khu vực gần xích đạo vào giữa trưa mới tiến đến gần vuông góc với hướng ánh tới. Tại tất cả các khu vực khác, ánh sáng tới ở một góc nhất định. Sự giảm dần về góc chiếu sáng của Mặt Trời khi tăng vĩ độ làm giảm tổng bức xạ trung bình thêm một nửa.

(Minh họa của NASA bởi Robert Simmon.)


Trung bình trên toàn bộ hành tinh, lượng ánh sáng mặt trời chiếu lên phía trên bầu khí quyển của Trái đất chỉ bằng một phần tư tổng lượng bức xạ mặt trời, khoảng 340 W/m2.

Ngân sách năng lượng của Trái Đất 

Lưu ý: Việc xác định giá trị chính xác của các dòng năng lượng trong hệ thống Trái Đất là một lĩnh vực nghiên cứu khí hậu đang diễn ra. Có nhiều các ước tính khác nhau và mỗi ước tính đều có tính không chắc chắn. Các ước tính từ quan sát vệ tinh, quan sát mặt đất và các mô phỏng thời tiết số học. Các con số trong bài viết này chủ yếu dựa vào các quan sát vệ tinh trực tiếp từ ánh sáng phản xạ và năng lượng hồng ngoại nhiệt bức xạ bởi bầu khí quyển và bề mặt Trái Đất.

Động cơ nhiệt của Trái Đất không chỉ đơn giản là vận chuyển nhiệt từ phần này tới phần khác của bề mặt, nó cũng chuyển nhiệt từ bề mặt Trái Đất và tầng khí quyển thấp trở lại không gian. Dòng năng lượng nhận được và thoát ra này chính là ngân sách năng lượng của Trái Đất. Để nhiệt độ của Trái Đất ổn định trong một thời gian dài, năng lượng nhận được và thoát ra phải bằng nhau. Nói một cách khác, ngân sách năng lượng ở phía trên của bầu khí quyển phải cân bằng. Trạng thái cân bằng này được gọi là trạng thái cân bằng bức xạ.

Khoảng 29% năng lượng mặt trời khi tới bầu khí quyển sẽ bị phản xạ lại không gian bởi mây, các hạt khí quyển, và các bề mặt sáng như băng biển và tuyết. Nguồn năng lượng này không có vai trò trong hệ thống khí hậu của Trái Đất. Khoảng 23% năng lượng nhận được được hấp thụ trong khí quyển bởi hơi nước, bụi và ozone, 48% đi qua bầu khí quyển và bị hấp thụ bởi bề mặt Trái Đất. Như vậy, khoảng 71% tổng năng lượng tới bị hấp thụ bởi hệ thống Trái Đất.


(Ảnh minh họa của NASA bởi Robert Simmon. Astronaut photograph  ISS013-E-8948.)

Khi một vật hấp thụ năng lượng, các nguyên tử và phân tử tạo nên vật đó sẽ bị kích thích, chúng di chuyển nhanh hơn, từ đó làm tăng nhiệt độ của vật. Nếu một vật chỉ có thể hấp thụ năng lượng, thì nhiệt độ của Trái Đất sẽ giống như mực nước trong một bồn rửa không có hệ thống thoát nước và vòi nước chảy liên tục.

Tuy nhiên, trên thực thế, nhiệt độ không tăng đáng kể, bởi các nguyên tử và phân tử trên Trái Đất không chỉ hấp thụ ánh sáng Mặt Trời, mà chúng cũng phát ra năng lượng nhiệt hồng ngoại. Lượng nhiệt bức xạ bề mặt tỉ lệ với nhiệt độ mũ bốn. Nếu nhiệt độ tăng gấp đôi, năng lượng bức xạ tăng lên theo hệ số 16 (2 mũ 4). Nếu nhiệt độ của Trái Đất tăng lên, hành tinh của chúng ta sẽ nhanh chóng phát ra lượng nhiệt lớn lên không gian. Sự gia tăng lớn về sự mất nhiệt này để đáp ứng với sự gia tăng nhiệt độ tương đối nhỏ hơn - được gọi là tản nhiệt bức xạ - là cơ chế chính hạn chế sự nóng lên của Trái Đất.

(Bản đồ NASA của Robert Simmon, dựa trên dữ liệu CERES.)

Bầu khí quyển và bề mặt của Trái Đất hấp thụ 71% bức xạ Bầu khí quyển và bề mặt của Trái Đất hấp thụ 71% bức xạ Mặt Trời, do đó, chúng phải tỏa ra một lượng năng lượng trở lại không gian để duy trì được độ ổn định của nhiệt độ trung bình trên Trái Đất. Tuy nhiên, sự đóng góp tương đối từ bầu khí quyển và bề mặt cho mỗi quá trình (hấp thụ ánh sáng mặt trời và bức xạ nhiệt) là không đối xứng. Bầu khí quyển hấp thụ 23% ánh sáng tới trong khi bề mặt Trái Đất hấp thụ 48%. Bầu khí quyển bức xạ nhiệt tương ứng với 59% ánh sáng tới; bề mặt lại chỉ bức xạ 12%. Nói một cách khác, phần lớn sự hấp thụ năng lượng nhiệt Mặt Trời xảy ra tại bề mặt, trong khi phần lớn quá trình tản nhiệt bức xạ xảy ra ở bầu khí quyển. Vậy làm thế nào để sự tái tạo năng lượng giữa bề mặt và bầu khí quyển xảy ra?

Ngân sách năng lượng bề mặt Trái Đất

Để hiểu làm thế nào mà hệ thống khí hậu của Trái Đất cân bằng ngân sách năng lượng, chúng ta cần xem xét các quá trình xảy ra ở ba cấp độ: bề mặt Trái Đất - nơi diễn ra phần lớn sự hấp thụ năng lượng nhiệt Mặt Trời; rìa của bầu khí quyển - nơi ánh sáng mặt trời đi vào hệ thống Trái Đất; và bầu không khí ở giữa. Tại mỗi cấp độ, lượng năng lượng nhận được và tỏa ra (còn gọi là thông lượng ròng - net flux) phải bằng nhau.

Khoảng 29% lượng ánh sáng tới được phản xạ trở lại không gian bởi các hạt sáng trong khí quyển hoặc bề mặt Trái Đất sáng, do đó khoảng 71% được hấp thụ bởi khí quyển (23%) và mặt đất (48%). Để cân bằng nguồn ngân sách năng lượng trên bề mặt Trái Đất, các quá trình phải loại bỏ 48% năng lượng tới mà đại dương và bề mặt Trái Đất hấp thụ. Năng lượng rời khỏi bề mặt Trái Đất thông qua ba quá trình: bốc hơi (evaporation), đối lưu (convection) và phát xạ (emission) năng lượng hồng ngoại nhiệt.

(Minh họa của NASA bởi Robert Simmon. © 2006 Cyron.)

Khoảng 25% năng lượng nhận được rời khỏi bề mặt Trái Đất qua quá trình bốc hơi. Các phân tử nước hấp thụ năng lượng này, và sẽ chuyển từ dạng lỏng thành dạng khí. Năng lượng nhiệt làm bay hơi nước ẩn trong các chuyển động ngẫu nhiên của các phân tử hơi nước khi chúng lan truyền trong không khí. Khi hơi nước ngưng tụ và tạo thành mưa, lượng nhiệt này được giải phóng ra bầu không khí xung quanh. Sự bay hơi từ các vùng đại dương nhiệt đới và sự giải phóng ẩn nhiệt là những nhiệm vụ chính của động cơ nhiệt khí quyển.

(Astronaut Photograph ISS006-E-19436.)

Thêm khoảng 5% năng lượng nhận được rời khỏi bề mặt Trái Đất qua quá trình đối lưu. Không khí tiếp xúc với bề mặt nắng ấm trở nên nóng và nổi lên. Nhìn chung, không khí ấm hơn khi ở gần bề mặt và khi càng lên cao càng lạnh hơn. Dưới các điều kiện này, khí ấm nổi lên trên, mang nhiệt ra khỏi bề mặt.

Cuối cùng, khoảng 17% năng lượng nhận được rời khỏi bề mặt dưới dạng năng lượng hồng ngoại nhiệt (tức là nhiệt) bức xạ bởi các nguyên tử và phân tử trên bề mặt. Thông lượng hướng lên ròng này là kết quả của hai dòng nghịch đảo: dòng nhiệt hướng lên từ bề mặt đến khí quyển (117%) và dòng nhiệt hướng xuống từ khí quyển xuống mặt đất (100%). Những dòng đối nghịch này là một phần của hiệu ứng nhà kính. Lưu ý rằng bước sóng cực đại từ một bề mặt bức xạ dựa trên nhiệt độ của chính nó. Bức xạ cực đại của Mặt trời ở bước sóng nhìn thấy và gần hồng ngoại. Bề mặt Trái Đất mát hơn nhiều, trung bình khoảng 15C. Bức xạ cực đại từ bề mặt Trái Đất ở bước sóng hồng ngoại (khoảng 12,5 micromet).

Ngân sách năng lượng bầu khí quyển

Cũng như việc cân bằng năng lượng vào và ra tại bề mặt Trái Đất, luồng năng lượng vào khí quyển cũng phải được cân bằng với năng lượng thoát ra khỏi bầu khí quyển và quay trở lại không gian. Các phép đo vệ tinh cho thấy rằng khí quyển bức xạ năng lượng hồng ngoại nhiệt, tương đương với 59% Năng Lượng Tới. Nếu bầu khí quyển bức xạ một khoảng năng lượng lớn vậy, thì nó cũng sẽ phải hấp thụ lại một khoảng tương đương. Vậy năng lượng đó tới từ đâu?

Mây, sol khí (aerosols), hơi nước và ozone trực tiếp hấp thụ 23% năng lượng nhận được. Sự bay hơi và đối lưu chuyển 25% và 5% năng lượng nhận được từ bề mặt vào bầu khí quyển. Ba quy trình này tương đương với 53% năng lượng nhận được được chuyển vào bầu khí quyển. Nếu tổng dòng năng lượng nhận được phải phù hợp với lượng hồng ngoại nhiệt thoát ra quan sát được ở phần trên của bầu khí quyển, vậy thì phần còn lại (khoảng 5-6%) đến từ đâu? Năng lượng còn lại chính là phần đến từ bề mặt Trái Đất.

Hiệu ứng nhà kính (Hiệu ứng nhà kính tự nhiên)

Cũng giống như các loại khí chính trong khí quyển (oxy và nitơ) đều trong suốt với ánh sáng mặt trời, chúng cũng trong suốt với tia hồng ngoại nhiệt tỏa ra. Tuy nhiên, hơi nước, CO2, CH4 và các khí vi lượng khác (trace gases) khá mờ nhạt đối với nhiều bước sóng của năng lượng hồng ngoại nhiệt. Lưu ý rằng về mặt bức xạ tương đương với 17% năng lượng nhận được dưới dạng hồng ngoại nhiệt. Tuy nhiên, lượng nhiệt trực tiếp thoát ra khỏi không gian chỉ khoảng 12% năng lượng nhận được. Phần còn lại - khoảng 5-6% năng lượng nhận được- được chuyển vào khí quyển khi các phân tử khí nhà kính hấp thụ năng lượng nhiệt hồng ngoại bức xạ bởi bề mặt.

Minh họa NASA của Robert Simmon, phỏng theo Trenberth et al. , năm 2009, sử dụng ước tính thông lượng CERES được cung cấp bởi Norman Loeb.

Khi các phân tử khí nhà kính hấp thụ năng lượng hồng ngoại nhiệt, nhiệt độ của chúng sẽ tăng lên. Giống như than khi được đốt, chúng ấm nhưng không phát sáng, khí nhà kính sau đó bức xạ tỏa ra một lượng năng lượng hồng ngoại nhiệt gia tăng theo mọi hướng. Nhiệt bức xạ hướng lên tiếp tục gặp các phân tử khí nhà kính, các phân tử này hấp thụ nhiệt, nhiệt độ tăng lên và sau đó một lượng nhiệt lớn bức xạ cũng tăng lên. Tại độ cao khoảng 5-6 km, mật độ khí nhà kính trong bầu khí quyển khá nhỏ và có thể bức xạ tự do vào không gian.

Bởi các phân tử khí nhà kính bức xạ nhiệt theo mọi hướng, một số phân tán xuống dưới, và cuối cùng trở lại tiếp xúc với bề mặt Trái Đất, nơi nó bị hấp thụ. Nhiệt độ của bề mặt sẽ trở nên ấm hơn thực tế nếu nó chỉ được làm nóng trực tiếp bởi nhiệt mặt trời. Việc làm nóng bổ sung này bởi bầu khí quyển được gọi là hiệu ứng nhà kính.

Ảnh hưởng tới nhiệt độ bề mặt

Hiệu ứng nhà kính tự nhiên làm tăng nhiệt độ bề mặt Trái Đất lên khoảng 15 độ C - ấm hơn 30 độ so với một Trái Đất không có bầu khí quyển. Lượng nhiệt bức xạ từ bầu khí quyển tới bề mặt (đôi khi cũng được gọi là “bức xạ ngược - back radiation”) tương đương với 100% năng lượng nhận được. Bề mặt Trái Đất phản ứng với nguồn năng lượng “phụ” (trên đỉnh tiếp xúc trực tiếp với nhiệt năng mặt trời) bằng cách tăng nhiệt độ của mình.

Tại sao hiệu ứng nhà kính không làm tăng nhiệt độ bề mặt? Một thực tế là năng lượng mà một bề mặt bức xạ luôn tăng nhanh hơn nhiệt độ của nó - năng lượng thoát ra tăng bằng lũy thừa bậc bốn của nhiệt độ.  Khi nhiệt năng mặt trời và “bức xạ ngược” từ bầu khí quyển làm tăng nhiệt độ bề mặt, đồng thời bề mặt sẽ giải phóng một lượng nhiệt tương ứng với 117% năng lượng nhận được. Một lưu lượng nhiệt thoát ra sau đó tương đương với 17% ánh sáng tới từ mặt trời (117% thoát ra trừ 100% tới bề mặt). Một phần nhiệt trực tiếp thoát ra vào không gian, phần còn lại được chuyển tới các tầng cao hơn của bầu khí quyển cho tới khi phần năng lượng rời khỏi đỉnh khí quyển bằng với năng lượng nhận được. Do phần năng lượng nhận được tối đa được cố định bởi hằng số mặt trời (solar constant) (phụ thuộc vào khoảng cách từ Trái Đất tới Mặt Trời và biến động rất nhỏ trong chu kỳ Mặt Trời), hiệu ứng nhà kính không gây ra sự tăng nhiệt độ bề mặt trên Trái Đất.

Nguồn: NASA

Tham khảo

Author: Lan Anh DINH
Sinh viên thạc sĩ Vật Lý - Đại học Paris Saclay (2017-2019); thực tập sinh tại Khoa Vật Lý - École Normale Supérieure de Paris (2019)


Bài viết xem nhiều