Mục lục bài họcĐang ở b1
The Greenhouse Effect and the Greenhouse Gases
Why the surface is warmer than the physics of sunlight alone allows
Earth intercepts an average of $340\ \text{W/m}^2$ of solar radiation at the top of the atmosphere. About $30\%$ is reflected straight back by clouds, aerosols, ice and bright land, so only $240\ \text{W/m}^2$ is absorbed. A blackbody radiating $240\ \text{W/m}^2$ sits at
$$T=\left(\frac{240}{\sigma}\right)^{1/4}=255\ \text{K}=-18\ ^\circ\text{C}$$The observed global mean surface temperature is about $+15\ ^\circ\text{C}$. The $33\ ^\circ\text{C}$ gap is the natural greenhouse effect.
The mechanism is selective absorption
Incoming solar radiation peaks in the visible; the atmosphere is nearly transparent to it. Earth re-radiates at infrared wavelengths, and molecules with three or more atoms (or two unlike atoms) have vibrational modes that absorb infrared. Nitrogen and oxygen, which make up $99\%$ of the air, are symmetric diatomics and absorb essentially none. So the atmosphere lets sunlight in and slows infrared from getting out — the gases absorb and re-emit in all directions, returning about $342\ \text{W/m}^2$ to the surface.
Two numbers describe every greenhouse gas
- Global warming potential (GWP) — heat trapped by one unit mass relative to the same mass of carbon dioxide over a stated horizon, normally $100$ years.
- Atmospheric residence time — how long a molecule stays before removal.
Methane has a $100$-year GWP near $28$ but a lifetime near $12$ years; nitrous oxide is about $265$ with a lifetime near $114$ years; sulfur hexafluoride is about $23{,}500$ with a lifetime of thousands of years. Carbon dioxide is defined as $1$, yet it dominates human forcing because of sheer quantity.
Vì sao mặt đất ấm hơn mức mà riêng ánh nắng cho phép
Ở đỉnh khí quyển, Trái Đất nhận trung bình $340\ \text{W/m}^2$ bức xạ mặt trời. Khoảng $30\%$ bị mây, sol khí, băng và mặt đất sáng phản xạ thẳng trở lại, nên chỉ $240\ \text{W/m}^2$ được hấp thụ. Một vật đen phát ra $240\ \text{W/m}^2$ có nhiệt độ
$$T=\left(\frac{240}{\sigma}\right)^{1/4}=255\ \text{K}=-18\ ^\circ\text{C}$$Nhiệt độ bề mặt trung bình đo được là khoảng $+15\ ^\circ\text{C}$. Chênh lệch $33\ ^\circ\text{C}$ chính là hiệu ứng nhà kính tự nhiên — không có nó thì đại dương đóng băng.
Cơ chế là hấp thụ CHỌN LỌC theo bước sóng
Bức xạ mặt trời đến chủ yếu ở vùng khả kiến, khí quyển gần như trong suốt với nó. Trái Đất phát trở lại ở vùng hồng ngoại, và những phân tử có từ ba nguyên tử trở lên (hoặc hai nguyên tử khác loại) có các kiểu dao động hấp thụ được hồng ngoại. Nitơ và oxy — chiếm $99\%$ không khí — là phân tử hai nguyên tử đối xứng, hầu như không hấp thụ gì.
Vậy khí quyển cho ánh sáng vào nhưng làm chậm hồng ngoại đi ra. Khí nhà kính hấp thụ rồi phát lại theo mọi hướng, trong đó phần hướng xuống trả về mặt đất khoảng $342\ \text{W/m}^2$. Đây không phải "giữ nhiệt như cái chăn" mà là một dòng năng lượng quay ngược có thể đo được.
Mỗi khí nhà kính được mô tả bằng hai con số
- Tiềm năng nóng lên toàn cầu (GWP) — lượng nhiệt mà một đơn vị khối lượng khí giữ lại, so với cùng khối lượng CO₂, trong một mốc thời gian nêu rõ, thường là $100$ năm.
- Thời gian tồn tại trong khí quyển — phân tử ở lại bao lâu trước khi bị loại bỏ.
Metan có GWP $100$ năm khoảng $28$ nhưng chỉ tồn tại khoảng $12$ năm; đinitơ oxit khoảng $265$ với thời gian tồn tại khoảng $114$ năm; lưu huỳnh hexaflorua khoảng $23{,}500$ và tồn tại hàng nghìn năm. CO₂ được lấy làm chuẩn $1$, nhưng vẫn là nguồn cưỡng bức bức xạ lớn nhất do con người gây ra — vì khối lượng thải quá lớn.
Hằng số mặt trời $S=1361\ \text{W/m}^2$, suất phản xạ hành tinh $\alpha=0{,}30$, hằng số Stefan–Boltzmann $\sigma=5{,}67\times10^{-8}\ \text{W}\,\text{m}^{-2}\text{K}^{-4}$. Tính nhiệt độ cân bằng bức xạ của Trái Đất và so với nhiệt độ thực $288\ \text{K}$.
Bước 1 — công suất trung bình trên một mét vuông. Trái Đất chắn ánh nắng bằng một đĩa diện tích $\pi R^2$ nhưng phát nhiệt trên cả mặt cầu diện tích $4\pi R^2$, nên phải chia cho $4$:
$$\frac{S}{4}=\frac{1361}{4}=340{,}25\ \text{W/m}^2$$Bước 2 — trừ phần bị phản xạ.
$$340{,}25\times(1-0{,}30)=238{,}2\ \text{W/m}^2$$Bước 3 — đặt bằng công suất phát ra theo Stefan–Boltzmann.
$$\sigma T^4=238{,}2\ \Rightarrow\ T^4=\frac{238{,}2}{5{,}67\times10^{-8}}=4{,}201\times10^{9}$$$$T=\sqrt[4]{4{,}201\times10^{9}}=254{,}6\ \text{K}\approx-18{,}6\ ^\circ\text{C}$$Bước 4 — so sánh. Nhiệt độ thực là $288\ \text{K}$, tức cao hơn $288-255=33\ \text{K}$.
Con số $33\ ^\circ\text{C}$ này là toàn bộ hiệu ứng nhà kính tự nhiên. Phần con người thêm vào từ thời tiền công nghiệp mới khoảng $1{,}2\ ^\circ\text{C}$ — nhỏ so với $33$, nhưng nó chồng lên một hệ đã cân bằng sẵn, và nó đến trong $170$ năm thay vì hàng vạn năm.
Đọc xong rồi — làm thử ngay
Bài tập của chương Unit 9 — Global Change gồm 14 câu trắc nghiệm và 4 đề tự luận. Đáp án hiện ngay khi chọn, miễn phí.