Trong các ngy 5-9 tháng Giêng năm 1998, c?dân của một bộ phận rộng lớn ở
miền đông n?ớc Mỹ vCanađa đã gặp một sự kiện m?a ảnh h?ởng rất lớn tới đời
sống của họ. Không giống phần lớn những trận m?a khác, những hạt m?a rơi
xuống bị đông cứng ngay khi chạm tới bề mặt để tạo thnh một lớp băng phẳng,
trắng phủ dy liên tục. Băng trở nên dy tới mức lm cho cnh cây bị gẫy, tuyến
dây điện bị đứt sập vđ?ờng xá không thể đi lại đ?ợc. M?a đóng băng trải ra rất
rộng vhủy hoại khắp nơi, lm cho hng triệu dân ở New England, bang New York
vtỉnh Quebek của Canađa mất điện - trong hơn hai tuần ở một số nơi. Chỉ riêng ở
Quebek, 3 triệu ng?ời - 40 % dân c?- bị mất điện v?ớc tính thiệt hại khoảng 1 tỉ
đô la. Một trong những ng?ời trong cuộc, ông Andre Champagne ở Montreal, mô tả
cảnh đó nh?sau: “Trời thật tối tăm, cứ nh?tôi đang ở trên sao Hỏa vậy”.
Bão kéo theo rất nhiều hậu quả - tất cả đều lnhững hậu quả xấu. ởmiền
đông nam vcác bang thuộc Trung Đại Tây D?ơng, m?a gây nên lũ lụt rất lớn, một
phần ldo dòng chảy m?a trực tiếp đổ vo các sông. N?ớc m?a thấm vo trong các
bồn tuyết nhanh chóng bị đông cứng cng lm căng thẳng thêm vấn đề lũ lụt. Bốn
bang phải kêu gọi trợ giúp của Cục Bảo vệ Quốc gia. Đn gia súc bất hạnh cũng bị
liên đới, bởi vì mất điện lm cho nông dân không thể cấp n?ớc uống cho đn bò của
mình vngnh nông nghiệp thiệt hại hơn 1 triệu đô la. Hơn 30 ng?ời ở Mỹ v
Canađa bị chết vì trận bão.
34 trang |
Chia sẻ: tranhoai21 | Lượt xem: 1174 | Lượt tải: 0
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Năng lượng - Chương 2: Bức xạ mặt trời và các mùa, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
51
Chơng 2
Bức xạ Mặt Trời v Các mùa
Trong các ngy 5-9 tháng Giêng năm 1998, c dân của một bộ phận rộng lớn ở
miền đông nớc Mỹ v Canađa đã gặp một sự kiện ma ảnh hởng rất lớn tới đời
sống của họ. Không giống phần lớn những trận ma khác, những hạt ma rơi
xuống bị đông cứng ngay khi chạm tới bề mặt để tạo thnh một lớp băng phẳng,
trắng phủ dy liên tục. Băng trở nên dy tới mức lm cho cnh cây bị gẫy, tuyến
dây điện bị đứt sập v đờng xá không thể đi lại đợc. Ma đóng băng trải ra rất
rộng v hủy hoại khắp nơi, lm cho hng triệu dân ở New England, bang New York
v tỉnh Quebek của Canađa mất điện - trong hơn hai tuần ở một số nơi. Chỉ riêng ở
Quebek, 3 triệu ngời - 40 % dân c - bị mất điện v ớc tính thiệt hại khoảng 1 tỉ
đô la. Một trong những ngời trong cuộc, ông Andre Champagne ở Montreal, mô tả
cảnh đó nh sau: “Trời thật tối tăm, cứ nh tôi đang ở trên sao Hỏa vậy”.
Bão kéo theo rất nhiều hậu quả - tất cả đều l những hậu quả xấu. ở miền
đông nam v các bang thuộc Trung Đại Tây Dơng, ma gây nên lũ lụt rất lớn, một
phần l do dòng chảy ma trực tiếp đổ vo các sông. Nớc ma thấm vo trong các
bồn tuyết nhanh chóng bị đông cứng cng lm căng thẳng thêm vấn đề lũ lụt. Bốn
bang phải kêu gọi trợ giúp của Cục Bảo vệ Quốc gia. Đn gia súc bất hạnh cũng bị
liên đới, bởi vì mất điện lm cho nông dân không thể cấp nớc uống cho đn bò của
mình v ngnh nông nghiệp thiệt hại hơn 1 triệu đô la. Hơn 30 ngời ở Mỹ v
Canađa bị chết vì trận bão.
Bão lạnh mùa đông của tháng Giêng năm 1998 l một sự trái ngợc rõ rệt so
với đợt bùng phát thời tiết cực đoan diễn ra ở miền bắc nớc Mỹ v miền nam
Canađa vo các ngy 30-31 tháng 5, khi gió lốc, ma đá v sét giết hại ít nhất 17
ngời. Những trận bão nh vậy, mặc dù có thể xảy ra bất kỳ thời gian no trong
năm, nhng thờng phổ biến nhất vo mùa xuân. Rồi sau đó l đợt sóng nhiệt mùa
hè của tháng 6 năm 1999, nó reo rắc sự thống khổ từ miền đông Canađa cho tới các
vùng đồng bằng phía nam v phần đông nam của nớc Mỹ. Hơn 250 ngời thiệt
mạng ở khắp nớc Mỹ trong thời kỳ hai tuần.
Nh các thí dụ ny cho thấy, nhiều loại thời tiết cực đoan có thể reo rắc tn
phá, song mỗi loại có vẻ nh xuất hiện nhiều hơn vo một thời gian cụ thể no đó
của năm. Thậm chí cha có thời tiết cực đoan thì đời sống của chúng ta đã đang bị
ảnh hởng nhiều bởi chu trình mùa xảy ra mỗi năm. Mặc dù những thay đổi các
mùa quan trọng đối với hoạt động hng ngy, nhiều ngời trong chúng ta cha thật
sự hiểu cái gì gây nên các mùa. Trong nhiều trờng hợp, chúng ta nghĩ sai lầm
rằng chúng ta biết nguyên nhân. Thí dụ, nhiều ngời tin rằng những thay đổi về
khoảng cách giữa Trái Đất v Mặt Trời chịu trách nhiệm về những thay đổi của các
mùa, rằng mùa hè diễn ra khi Trái Đất v Mặt Trời ở gần nhau nhất. Nhng Trái
Đất v Mặt Trời ở gần nhau nhất vo khoảng ngy 3 tháng Giêng - vo giữa mùa
đông ở Bắc bán cầu! Cũng nh vậy, Mặt Trời ở xa Trái Đất nhất vo ngy 3 tháng
7, thời gian m c dân Bắc bán cầu không liên quan với mùa đông, m với những
ngy di v nóng lực, với cuộc dã ngoại với thịt nớng ngoi trời v pháo hoa. Vậy ở
đây rõ rng l phải có một cách giải thích khác. Trong chơng ny, chúng tôi sẽ mô
tả chính xác quỹ đạo Trái Đất quanh Mặt Trời tạo ra các mùa của chúng ta ra sao.
Chúng tôi bắt đầu bằng một số điều cơ bản.
Năng l~ợng
Năng lợng theo truyền thống đợc định nghĩa l “khả năng thực hiện công”.
Định nghĩa ny không hon ton chính xác v nó lại lm nảy sinh những câu hỏi
(Công l gì?), song không thể lm gì khá hơn trong vi lời đợc. Thay vì lang thang
quá xa đi tìm một định nghĩa chính xác, chúng ta sẽ thừa nhận mọi ngời đều ít
nhất có một ý niệm mang máng về năng lợng nh một tác nhân có khả năng lm
cho một vật chuyển động, lm nóng một chiếc ấm đun nớc, hay nói cách khác, biểu
hiện chính mình trong các sự kiện hng ngy. Đơn vị chuẩn của năng lợng trong
Hệ Quốc tế (SI) dùng trong các ứng dụng khoa học l jun (ký hiệu bằng J). Mặc dù
các sinh viên có thể quen hơn với calo nh l đơn vị của năng lợng, nhng trong
ngữ cảnh ny thì jun hay hơn (1 J = 0,239 calo). Một thuật ngữ liên quan, công, l
tốc độ m năng lợng đợc giải phóng, truyền đi, hay đợc nhận. Đơn vị của công l
wat (W), nó tơng ứng với 1 J trong 1 giây.
Thậm chí một hoạt động đơn giản nhất đòi hỏi sự truyền năng lợng. Thật vậy,
trong khi bạn đang đọc những từ ny, thì sự truyền năng lợng đang diễn ra khi
năng lợng hóa học từ thức ăn m bạn đã ăn, đợc chuyển hóa thnh động năng
(năng lợng của chuyển động) cần thiết để di chuyển mắt bạn qua những dòng chữ.
Nhng cơ thể bạn, giống nh một chiếc máy bất kỳ khác, không hon ton hon
hảo, nó lm mất một số năng lợng nhiệt (nhiệt lợng) khi năng lợng hóa học đợc
chuyển hóa thnh động năng. Vậy các cơ của mắt bạn lm mất nhiệt khi chúng co
v giãn.
Khái niệm ny đợc áp dụng vo khí quyển của chúng ta. Khoảng 2 phần tỉ
của năng lợng do Mặt Trời phát ra đợc truyền cho Trái Đất nh l bức xạ điện
từ, một phần trong số đó đợc hấp thụ trực tiếp bởi khí quyển v bề mặt. Bức xạ đó
cung cấp năng lợng cho chuyển động của khí quyển, sự lớn lên của thực vật, bay
hơi nớc v vô số những hoạt động khác.
Các loại năng l~ợng
Năng lợng có thể biểu hiện trong rất nhiều dạng. Chúng ta hay nói về năng
lợng bức xạ, năng lợng điện, năng lợng hạt nhân v năng lợng hóa học; nhng
một cách chính xác, tất cả các dạng của năng lợng thuộc về các phạm trù chung
động năng v thế năng. Điều ny đợc minh họa trên hình 2.1.
53
Động năng có thể xem nh năng lợng đợc sử dụng v thờng đợc mô tả nh
l năng lợng của chuyển động. Chuyển động có thể tồn tại ở quy mô lớn nh trong
chuyển động của vật từ nơi ny đến nơi khác. Những thí dụ xảy ra trong tự nhiên
bao gồm các hạt ma rơi (hình 2.2a), nớc chảy qua một con kênh v các hạt bụi
mang đi trong gió. Chuyển động của động năng cũng có thể diễn ra ở một quy mô
nhỏ nh trong trờng hợp rung động hoặc xoay của phân tử (đợc minh họa trên
hình 2.2b). Một vật rắn có thể tởng nh đứng yên, nhng các phân tử của nó đang
thực hiện một số rung động.
Hình 2.1. Năng l~ợng có một số dạng khác nhau, song mỗi dạng lại thuộc vo loại động năng
(năng l~ợng của chuyển động) hoặc thế năng
Ngợc lại, các phân tử chất khí v chất lỏng không cố định trong không gian,
m di chuyển qua lại một cách ngẫu nhiên (hình 2.3). Trong các chất rắn, chất lỏng
hoặc chất khí, tốc độ rung động hoặc chuyển động ngẫu nhiên quyết định nhiệt độ
của vật.
Nếu động năng l năng lợng đợc sử dụng, thì thế năng l năng lợng còn
cha đợc sử dụng. Thế năng có thể có nhiều dạng. Thí dụ, cacbohyđrat của một
thực vật có thế năng có thể đợc tiêu thụ bởi các động vật (hoặc bởi chính thực vật)
v sau đó đợc đồng hóa để thu năng lợng cần thiết cho tất cả hoạt động sinh học
của nó. Khi cơ thể chúng ta đồng hóa thức ăn l chúng ta đang sử dụng thế năng
đó, chuyển hóa nó thnh động năng v giải phóng nhiệt lợng nh một phụ phẩm.
Hình 2.2. Động năng có thể xuất hiện khi chuyển động liên quan với các
vật chuyển động, nh~ hạt m~a rơi trong (a) hoặc sự rung v xoay của phân
tử n~ớc (b). Tốc độ rung hoặc xoay cng lớn thì nhiệt độ của vật cng cao
Hình 2.3. Các phân tử khí không gắn bó
với nhau nh~ các phân tử chất rắn v
lỏng v di chuyển một cách ngẫu nhiên
Một dạng khác của thế năng sinh ra từ
vị trí của vật. Thí dụ, xét một hạt mây
đang chiếm một vị trí no đó bên trên bề
mặt Trái Đất. Giống nh tất cả các vật
khác, hạt mây chịu tác động của trọng lực.
Khi rơi xuống phía mặt đất, thế năng của
nó đợc chuyển thnh động năng. Rõ rng,
mực của hạt ma cng cao, khoảng cách có
thể rơi cng lớn v thế năng của nó cng
lớn. Điều rất quan trọng l phải thấy rằng
hạt ma không đi lên đợc độ cao của nó
bằng sức mạnh siêu nhiên, bởi vì một năng
lợng đã đợc sử dụng để nâng khối lợng
của nó lên vị trí ban đầu.
Những cơ chế truyền năng l~ợng
Truyền dẫn. Năng lợng có thể đợc truyền từ một nơi đến nơi khác bằng ba
quá trình: truyền dẫn, đối lu v phát xạ. Truyền dẫn l sự di chuyển nhiệt lợng
qua một vật không có sự di chuyển của các phân tử trong hớng truyền nhiệt. Một
thí dụ đơn giản nhất l thanh kim loại với một đầu đợc đặt bên trên lò lửa. Phần
55
thanh kim loại bên trên ngọn lửa đợc nung nóng v các phân tử ở đó nhận năng
lợng. Một phần năng lợng đó truyền cho các phân tử láng giềng, những phân tử
ny về phần mình lại truyền nhiệt lợng cho các phân tử bên cạnh. (Cơ chế chính
xác của “truyền“ phân tử tùy thuộc vo chất - trong các kim loại nó chủ yếu đợc
thực hiện bởi các điện tử.) Quá trình ny diễn ra ở khắp chiều di của thanh, cho
nên sau một thời gian ngắn ton bộ thanh kim loại trở nên rất nóng. Sự truyền
nhiệt từ phần nóng hơn tới phần lạnh hơn của thanh l truyền dẫn. Lu ý rằng
mặc dù nhiệt đi qua thanh kim loại, nhng các phân tử của thanh kim loại không
di chuyển. Sự truyền dẫn hiệu quả nhất trong các vật liệu rắn, nhng nh sẽ thấy ở
chơng 3, nó cũng l một quá trình quan trọng trong một lớp không khí rất mỏng
gần bề mặt Trái Đất.
Đối lu. Truyền nhiệt bằng sự xáo trộn của chất lỏng gọi l đối lu. Khác với
truyền dẫn, đối lu đợc thực hiện bởi sự di dời (chuyển động) của môi trờng. Bạn
có thể quan sát quá trình ny bằng cách nhìn một bình nớc sôi trên bếp lò. Nớc ở
đáy bình nằm gần nguồn năng lợng nhất nên bị nóng lên nhanh nhất. Khi nóng
lên nớc nở ra, trở nên kém đậm đặc hơn v nổi lên bề mặt. Nớc nổi lên dĩ nhiên
phải đợc thay thế bởi nớc từ phía trên, cho nên nớc ban đầu ở bề mặt chìm
xuống đáy bình. Những chuyển động nổi lên v chìm xuống ny gây nên sự di
chuyển nhanh không chỉ của khối lợng m cả năng lợng nhiệt chứa trong nớc
chu chuyển.
Đối lu trong khí quyển không khác nhiều với đối lu ở trong một bình nớc
sôi. Trong thời gian ban ngy, sự nung nóng của bề mặt Trái Đất lm nóng một lớp
không khí rất mỏng (độ dy cỡ 1 mm) tiếp xúc với bề mặt. Bên trên lớp phân tầng
mỏng ny, không khí bị lm nóng từ phía dới nở ra v nổi lên phía trên nhờ độ
nổi vốn có của không khí nóng (xu thế của một vật lỏng nhẹ (chất lỏng hay chất
khí) nổi lên trên khi bị bao quanh bởi một chất lỏng nặng hơn). Khác với nớc trong
một chiếc bình, khí quyển có thể thực hiện đối lu ngay cả khi không có độ nổi
thông qua một quá trình đợc gọi l đối lou coỡng bức, sự xáo trộn thẳng đứng diễn
ra khi gió thổi. Những quá trình ny đợc thảo luận chi tiết hơn ở chơng 3.
Bức xạ. Trong số ba cơ chế truyền năng lợng thì bức xạ l một cơ chế duy
nhất có thể phát triển không cần một môi trờng truyền. Nói cách khác, không
giống với truyền dẫn v đối lu, truyền năng lợng bằng bức xạ có thể xảy ra qua
không gian rỗng. Thực tế tất cả năng lợng có trên Trái Đất bắt nguồn từ ngôi sao
lân cận (theo ngôn từ thiên văn học) m chúng ta gọi l Mặt Trời, một thnh viên
của Ngân H (hình 2.4). Khí quyển còn có những nguồn năng lợng khác: những
lợng bức xạ nhỏ bé nhận đợc từ hng tỉ ngôi sao khác trong vũ trụ v một ít năng
lợng đạt tới bề mặt từ trong lòng Trái Đất. Tuy nhiên, sự đóng góp của những
nguồn đó vô cùng nhỏ bé so với năng lợng nhận đợc từ Mặt Trời.
Bây giờ chúng ta xem xét các đặc điểm của bức xạ v cái cách m sự định
hớng của Trái Đất ảnh hởng tới bức xạ nhận đợc. Những biến thiên theo không
gian v theo mùa trong quá trình thu nhận năng lợng Mặt Trời không chỉ l
những gì trừu tợng đơn thuần, m l lực điều khiển của thực tế tất cả các quá
trình đợc xét ở phần còn lại của cuốn sách ny.
Bức xạ
Bức xạ đợc phát ra bởi tất cả các vật. Vậy mọi thứ - kể cả các vì sao, Trái Đất,
bản thân chúng ta v cuốn sách ny - đang không ngừng phát ra năng lợng điện
từ. Tất cả chúng ta đều quen thuộc với năng lợng điện từ dới nhiều hình thức của
nó. Chúng ta nhìn thấy môi trờng xung quanh nhờ một kiểu bức xạ nhất định m
chúng ta gọi l những va chạm ánh sáng nhìn thấy lên mắt mình, sau đó nó gửi các
tín hiệu tới thần kinh để tạo ra các ảnh thấy đợc. Một kiểu năng lợng điện từ
khác đợc dùng khi chúng ta lm nóng bữa ăn trong một lò vi sóng; bức xạ kích
thích rung các phân tử của thức ăn v do đó lm tăng nhiệt độ của nó. Những kiểu
bức xạ khác có thể ít ích lợi hơn hay thậm chí có hại, nh bức xạ cực tím, nó có thể
dẫn tới bỏng da, các loại bệnh v thậm chí cái chết. Mặc dù các kiểu bức xạ khác
nhau có những tác động khác nhau, tất cả rất giống nhau ở chỗ chúng đợc truyền
đi nh một loạt các sóng.
Hình 2.4. Hệ Mặt Trời l một bộ phận của Ngân H, một thiên h điển hình chứa hơn
100 tỉ ngôi sao. (a) Bức vẽ nghệ thuật. (b) ảnh hồng ngoại góc rộng về dải Ngân H
Hãy so sánh với sóng do một hòn đá ném vo bể nớc tạo ra. Sóng đợc thể
hiện bằng một dao động ở bề mặt nớc với những đỉnh (các điểm cao trên mặt dậy
sóng) v chân (các điểm thấp). Khi bạn quan sát sự nâng lên v hạ xuống đều đặn
của bề mặt lúc sóng đi qua, bạn biết năng lợng đang đợc truyền đi. Trong trờng
hợp với bức xạ, các sóng l những dao động điện v từ. Có nghĩa bức xạ bao gồm
một sóng điện v một sóng từ. Bằng những thiết bị phù hợp, chúng ta có thể phát
hiện những biến thiên điện v từ ấy - từ đó m có thuật ngữ bức xạ điện từ. Khi
một vật phát ra bức xạ, cả điện trờng v từ trờng đợc phát ra ngoi. Tại một
điểm cố định trong không gian, cờng độ của cả hai trờng tăng v giảm một cách
nhịp nhng, do đó tạo thnh các sóng điện v từ, mỗi sóng có hình dạng đỉnh tới
chân của riêng mình. Các sóng điện v từ vuông góc với nhau, nh biểu diễn trên
57
hình 2.5. Điều quan trọng hơn l các hợp phần điện v từ luôn sóng đôi với nhau -
cả hai tăng v giảm một cách hòa hợp.
L~ợng v chất của bức xạ
Để mô tả bức xạ điện từ một cách đầy đủ, chúng tôi cần cung cấp một số thông
tin về lợng năng lợng truyền đi (số lợng) v kiểu, hay chất lợng của năng
lợng. Điều ny tơng tự nh khi mô tả trọng lợng của ai đó, chúng ta có thể nói
ra số lợng thnh cân v chỉ ra chất lợng nếu dùng các từ nh “rất nhẽo”. Trong
trờng hợp bức xạ, lợng liên quan với độ cao của sóng, hay biên độ của nó. Nếu
mọi thứ khác nh nhau, lợng năng lợng mang đi trực tiếp tỷ lệ với biên độ sóng.
Hình 2.5. Bức xạ điện từ gồm một sóng điện (E)
v một sóng từ (M). Khi bức xạ truyền đi, các
sóng di chuyển trong h~ớng biểu diễn bằng
mũi tên di (gạch nối). Các sóng ở (a) v (b) có
cùng biên độ nên c~ờng độ bức xạ nh~ nhau.
Tuy nhiên, (a) có b~ớc sóng ngắn hơn, nên nó
khác về chất so với (b). Tùy thuộc vo các b~ớc
sóng chính xác đ~ợc xét, bức xạ ở (a) có thể đi
qua khí quyển, trong khi ở (b) có thể bị hấp thụ
Lợng hay “kiểu” của bức xạ liên quan tới một tính chất khác của sóng -
khoảng cách giữa các đỉnh sóng. Hình 2.5 biểu diễn các sóng điện từ di chuyển
trong cùng một hớng. Tất cả có cùng một biên độ, nhng khoảng cách giữa các
đỉnh sóng riêng rẽ l nhỏ hơn đối với sóng đợc vẽ ở bên trên. Do đó, sóng bên trên
có bớc sóng ngắn hơn, bớc sóng l khoảng cách giữa hai điểm tơng ứng bất kỳ
(đỉnh đến đỉnh, chân đến chân, v.v..). Vì bớc sóng của nó ngắn hơn, sóng ở hình
2.5a khác về chất v có thể tạo ra một số hiệu ứng so với sóng ở hình 2.5b. Thí dụ,
bức xạ tia X có một bớc sóng cực ngắn v nó có thể xuyên qua các mô tế bo mềm.
Ngợc lại, ánh sáng bình thờng có một bớc sóng di hơn, thì bị hấp thụ bởi da. So
sánh với những vật thể thờng ngy, thì bức xạ m chúng ta quan tâm ở đây có
những bớc sóng rất nhỏ. Vì vậy, để cho tiện lợi, ngời ta xác định các bớc sóng
bằng những đơn vị đo rất nhỏ gọi lmicrômét (hoặc micrôn) 1 micrômét - ký hiệu
l mȝ - bằng một phần triệu của 1 mét hay một phần nghìn của 1 mm.
Tất cả các dạng của bức xạ điện từ, bất chấp bớc sóng, di chuyển đi trong
không gian với tốc độ của ánh sáng, bằng khoảng 300 000 km/s. Với tốc độ ny, cần
8 phút để năng lợng từ Mặt Trời đạt tới Trái Đất. Năng lợng nhận đợc từ những
vì sao khác, xa cách hơn, cần thời gian lâu hơn để tới đợc Trái Đất. Thí dụ, bức xạ
từ vì sao gần nhất tiếp theo, sao Proxima Centauri, phải du ngoạn trong không
gian 4,3 năm trớc khi tới đợc với chúng ta. Mặc dù có vẻ nh đó l một quãng
thời gian di, song cũng chỉ l rất nhỏ bé so với những tỉ năm cần thiết để ánh sáng
từ một ngôi sao xa đến đợc với Trái Đất.
Năng lợng điện từ có vô vn các bớc sóng, nhng chúng ta có thể lm đơn
giản hóa vấn đề bằng cách phân loại các bớc sóng thnh một số băng riêng rẽ nh
trên hình 2.6 v bảng 2.1. Băng với các bớc sóng ngắn nhất gồm các tia Gama với
bớc sóng cực đại bằng 0,0001 mμ . Các băng bớc sóng di hơn, liền sau bao gồm
các tia X, tia cực tím (UV), ánh sáng nhìn thấy, ánh sáng cận hồng ngoại (NR),
hồng ngoại nhiệt (IR), vi sóng v các sóng vô tuyến. Lu ý rằng không có gì l độc
đáo hay đặc biệt về phần nhìn thấy của phổ điện từ ny ngoi một thực tế l mắt v
hệ thần kinh của chúng ta đã tiến hóa để có thể cảm nhận đợc loại năng lợng
ny. Ngoại trừ các bớc sóng của mình, những tia nhìn thấy cũng giống nh một
dạng bất kỳ khác của năng lợng điện từ.
Hình 2.6. Năng l~ợng điện từ có thể phân loại theo b~ớc sóng
C~ờng độ v b~ớc sóng của bức xạ
Tất cả các vật phát ra năng lợng, không chỉ tại một bớc sóng đơn m trên
một khoảng rộng các bớc sóng khác nhau. Hình 2.7a vẽ cờng độ của bức xạ đợc
phát ra tại tất cả các bớc sóng trong mỗi giây bởi một mét vuông bề mặt của Mặt
Trời (trên) v của Trái Đất (dới). Chúng ta có thể dễ dng thấy rằng một đơn vị
59
diện tích trên Mặt Trời phát ra bức xạ lớn hơn nhiều (khoảng 160 000 lần) so với
cùng diện tích ấy trên Trái Đất (chú ý rằng đờng cong biểu diễn phát xạ Trái Đất
đã đợc phóng đại thực sự rất nhiều - nếu nh vẽ với tỉ lệ thực, thì nó quá bé không
nhìn thấy). Hình dáng của đờng cong biểu diễn cờng độ của năng lợng do Trái
Đất phát ra tại những bớc sóng khác nhau (hình 2.7b) tơng tự nh của Mặt Trời,
nhng tổng năng lợng đợc giải phóng nhỏ hơn nhiều, còn đỉnh của đờng cong
tơng ứng với một bớc sóng di hơn.
Bảng 2.1. Các cấp b~ớc sóng
Kiểu năng loợng Boớc sóng m)(μ
Gama <0,0001
Tia X 0,0001 đến 0,01
Cực tím 0,01 đến 0,4
Nhìn thấy 0,4 đến 0,7
Cận hồng ngoại 0,7 đến 4,0
Hồng ngoại nhiệt 4,0 đến 100
Vi sóng 100 đến 1 000 000 (1 m)
Vô tuyến >1 000 000 (1 m)
Hình 2.7. Năng l~ợng phát ra của các
chất có dải b~ớc sóng rộng. Do nhiệt
độ cao hơn, phát xạ từ một đơn vị diện
tích Mặt Trời (a) 160000 lần mạnh hơn
phát xạ của cùng diện tích trên Trái Đất
(b). Bức xạ của Mặt Trời cấu tạo từ các
b~ớc sóng ngắn hơn của Trái Đất
Dĩ nhiên, lợng bức xạ phát ra v các bớc sóng không phải l kết quả của sự
ngẫu nhiên đơn thuần; các đặc trng đó tuân theo một số định luật vật lý cơ bản.
Nói một cách chính xác, các định luật đó chỉ áp dụng cho những vật phát xạ lý
tởng, gọi l các vật đen. Các vật đen l những vật thuần túy giả thuyết - chúng
không tồn tại tự nhiên - chúng phát bức xạ cực đại có thể tại từng bớc sóng. Trái
Đất v Mặt Trời gần giống các vật đen v do đó, gần tuân theo các định luật sắp
đợc mô tả dới đây. Những vật liệu khác có thể hoặc không thể l các vật đen xấp
xỉ. Cụ thể, khí quyển, cấu tạo từ các khí, đặc biệt khác xa với một vật đen, nên
chúng ta sẽ không xem nó nh một vật đen.
2-1 Những nguyên lý vật lý:
Ba thang nhiệt độ
Tất cả chúng ta quen thuộc với các
thang nhiệt độ Fahrenheit v Celsius
(hay bách phân). Tuy rất có ích trong ứng
dụng hng ngy, song cả hai thang ny
có một nhợc điểm nghiêm trọng - chúng
cho phép các giá trị âm. Các đơn vị đo
khác thì không nh vậy. Thí dụ, những
tòa nh không có độ cao v trọng lợng
âm, chiếc xe không chạy với tốc độ âm v
trẻ em không có tuổi âm. Nhng sự tồn
tại các nhiệt độ âm gây ấn tợng rằng các
chất có thể có hm lợng nhiệt âm - một
tình huống không thể