Cân bằng nhiệt của Trái đất

10

Cân bằng nhiệt của Trái đất

B. M. Smirnov

Hầu như tất cả năng lượng phi hạt nhân mà chúng ta xử lý trên Trái đất là kết quả của sự chuyển đổi năng lượng bức xạ mặt trời. Điều này bao gồm năng lượng hóa học của nhiên liệu hóa thạch, năng lượng nước, năng lượng gió, v.v.

Nguồn bức xạ mặt trời chính là các phản ứng nhiệt hạch xảy ra ở độ sâu của Mặt trời.

Mục đích chính của các phản ứng này có thể được xác định theo sơ đồ sau:

$$2p \rightarrow d + e^+ + v + 0,42 \text{ Mэв},$$
$$d + p \rightarrow He^3 + \gamma + 5,49 \text{ Mэв},$$
$$2He^3 \rightarrow He^4 + 2p + 12,85 \text{ Mэв}.$$

Ở đây $p$ là proton, $d$ là deuteron, tức là hạt nhân gồm một proton và neutron, He$^3$, He$^4$ là các hạt nhân gel chứa ba và bốn nucleon tương ứng (nucleon là proton hoặc neutron), $e^+$ là positron, $v$ là neutrino, $\gamma$ là photon Năng lượng của hạt ghi ở vế phải của phương trình biến thành nhiệt, được truyền đến bề mặt Mặt trời và sau đó bức xạ. Ngoại lệ duy nhất là neutrino, nó ngay lập tức rời khỏi Mặt trời, mang theo năng lượng bằng 0,26 MeV. Positron tham gia vào phản ứng tạo góc với sóng điện từ, bước sóng tương ứng với năng lượng cực đại của bức xạ này càng ngắn thì nhiệt độ cơ thể càng cao.

Tổng dòng bức xạ từ bề mặt Mặt trời ở mọi bước sóng được xác định theo định luật Stefan-Boltzmann: $j = \sigma T^4$, trong đó $j$ là dòng năng lượng bức xạ, $T$ là nhiệt độ tuyệt đối của bề mặt, $\sigma = 5,69 \cdot 10^{-12} \text{bm/cm}^2$ erad$^4$ là hằng số Stefan-Boltzmann.

11

Chúng ta sẽ giả định rằng nội năng của Mặt trời chỉ được giải phóng do các phản ứng hạt nhân được mô tả liên quan đến sự chuyển đổi hydro thành heli. (Trên thực tế, helium có thể tiếp tục biến đổi thành các nguyên tố nặng hơn đồng thời giải phóng năng lượng.) Sau đó, do quá trình xử lý một proton dẫn đến giải phóng năng lượng 6,3 MeV, nên tổng năng lượng dự trữ của Mặt trời là 6,3 × 6,6 10⁵⁶ MeV = 6,7 10⁴⁴ J. Mỗi giây, năng lượng j⊙·4πR²⊙ = 3,9·10²⁶ W được phát ra từ bề mặt Mặt trời, trong đó j⊙ = 6,4 kW/cm² là công suất bức xạ trên một đơn vị bề mặt mặt trời, R⊙ = 7·10¹⁰ cm là bán kính của Mặt trời. Theo đó, với một lượng năng lượng không đổi do Mặt trời phát ra trong một đơn vị thời gian, nguồn dự trữ năng lượng mặt trời hạt nhân sẽ tồn tại trong 55 tỷ năm. Về vấn đề này, một người không có lý do gì để lo lắng.

Trên bề mặt Mặt trời, toàn bộ năng lượng bức xạ có diện tích 4πR²⊙ và ở khoảng cách l tính từ Mặt trời - đến diện tích 4πl². Do đó, dòng năng lượng của bức xạ mặt trời ở khoảng cách l tính từ Mặt trời bằng j⊙·R²⊙/l², trong đó j⊙ là dòng năng lượng trên bề mặt Mặt trời, R⊙ là bán kính của Mặt trời. Từ đây ta thấy sức mạnh của năng lượng bức xạ rơi xuống bề mặt Trái đất:

πR²⊙·j⊙/R²⊙/d²⊙ = 1,75·10¹⁷ W,

trong đó R⊙ = 6,4·10⁸ cm là bán kính Trái đất, d⊙ = 1,5·10¹² cm là khoảng cách trung bình từ Trái đất đến Mặt trời.

Một phần nhỏ sức mạnh của bức xạ mặt trời chạm tới bề mặt Trái đất (chưa đến một phần tỷ), nhưng trên quy mô trái đất của chúng ta, sức mạnh này rất lớn. Để rõ ràng, hãy đưa ra một ví dụ. Phần chính năng lượng mà con người tiêu thụ được giải phóng trong quá trình đốt cháy nhiên liệu hóa thạch (dầu, khí đốt, than đá). Nếu tính đến toàn bộ trữ lượng nhiên liệu hóa thạch của trái đất, chúng ta có thể lấy ví dụ về 2·10²³ J. Trái đất nhận được năng lượng như vậy từ Mặt trời trong vòng chưa đầy 14 ngày. Từ ví dụ tương tự, chúng ta có thể thấy rất ít năng lượng mặt trời được gửi tới bề mặt Trái đất trong một thời gian dài được chuyển đổi thành năng lượng nhiên liệu hóa thạch.

Điều gì xảy ra với năng lượng bức xạ mặt trời chiếu vào bề mặt Trái đất? Một phần được phản xạ từ bề mặt, phần còn lại được bầu khí quyển Trái đất phản xạ từ bề mặt và được chuyển hóa thành các dạng năng lượng khác.

Năng lượng hấp thụ được chuyển hóa như thế nào? Khối lượng của Trái Đất là M⊙ = 6·10²⁷ e, nhiệt độ riêng trung bình của Trái Đất là 0,5 √2f/ε·radd. Điều này có nghĩa là làm nóng Trái đất thêm một độ cần năng lượng 3·10²⁷ J. Năng lượng như vậy được bề mặt và bầu khí quyển của Trái đất hấp thụ trong khoảng 1000 năm. Như vậy, năng lượng mặt trời được Trái đất hấp thụ trong quá trình tồn tại (4,5 tỷ năm) không được tích lũy mà bị tiêu tán ra không gian xung quanh.

Hãy cùng tìm hiểu xem năng lượng mặt trời được Trái đất hấp thụ sẽ quay trở lại không gian như thế nào. Có hai cách để định vị Trái đất. Một trong số chúng liên quan đến sự thoát ra ngoài của các nguyên tử và phân tử ngoài khí quyển, cái còn lại liên quan đến bức xạ từ bề mặt Trái đất. Trong trường hợp đầu tiên, để một phân tử thoát ra khỏi bề mặt Trái đất, tốc độ của nó theo hướng vuông góc với bề mặt Trái đất phải vượt quá tốc độ thứ hai √2gR⊙ ≈ 11√κm/s. Ví dụ, đối với một phân tử nitơ, điều này tương ứng với năng lượng mv²/2 = mg R⊙ = 2,9×10⁻¹³ hạt (m là khối lượng của phân tử). Ở nhiệt độ phòng, năng lượng cuối cùng trung bình của các phân tử là 2×10⁻¹⁴ hạt. Có rất ít phân tử trong bầu khí quyển của Trái đất. Hơn nữa, nếu

12

Chúng xuất hiện trên bề mặt Trái đất, sau đó khi va chạm với các phân tử khác sẽ tỏa ra năng lượng dư thừa và không thể vượt ra ngoài bầu khí quyển Trái đất. Do đó, cơ chế tiêu tán năng lượng liên quan đến sự thoát ra ngoài của các nguyên tử và phân tử ra ngoài bầu khí quyển Trái đất tỏ ra không hiệu quả.

Cách thứ hai để đưa năng lượng mặt trời trở lại không gian là bức xạ. Nhiệt độ bề mặt Trái đất (≈300 °K) thấp hơn đáng kể so với nhiệt độ bề mặt Mặt trời (6000 °K). Năng lượng cực đại của bức xạ mặt trời tương ứng với các bước sóng trong phần quang phổ nhìn thấy được, còn bước sóng của bức xạ Trái đất nằm trong vùng hồng ngoại xa. Hãy cùng tìm hiểu xem Trái đất sẽ có nhiệt độ bao nhiêu nếu nó tỏa ra năng lượng có công suất 10^17 m dưới dạng một vật thể hoàn toàn màu đen. Từ định luật Stefan-Boltzmann, chúng ta thấy rằng công suất bức xạ do Trái đất phát ra trong trường hợp này bằng σT⁴4π R². Trong trường hợp này, nhiệt độ của Trái đất phải là 240 ° K.

Sự khác biệt giữa giá trị thu được và nhiệt độ thực tế của bề mặt Trái đất không quá lớn, đặc biệt nếu chúng ta tính đến việc chúng ta chỉ có thể giả định rất gần đúng rằng Trái đất bức xạ dưới dạng một vật thể hoàn toàn đen.

Mô hình được sử dụng có thể trình bày một bức tranh định tính chung về các quá trình xảy ra trong bầu khí quyển Trái đất trong quá trình chuyển đổi năng lượng bức xạ mặt trời thành năng lượng bức xạ Trái đất. Rõ ràng là năng lượng của Mặt trời phân bố không đều trên bề mặt Trái đất. Về vấn đề này, các dòng năng lượng từ vùng ấm hơn đến vùng lạnh hơn xuất hiện trong bầu khí quyển Trái đất: gió nổi lên. Chuyển động của gió tập trung khoảng 2% năng lượng bức xạ được Trái đất hấp thụ.

Phần lớn năng lượng bức xạ (khoảng 4·10^16 Vm) được dùng làm bay hơi nước. Hơi nước được các dòng khí quyển mang đi theo hướng, do đó lượng nước bốc hơi và lượng mưa tại mỗi điểm trên Trái đất không trùng nhau. Điều này được bù đắp bằng dòng nước trên bề mặt Trái đất - những con sông mang sức mạnh đáng kể - khoảng 3·10^15 m.

Nước đóng vai trò quan trọng không chỉ trong việc hấp thụ năng lượng mặt trời mà còn hấp thụ bức xạ từ Trái đất. Các phân tử nước hấp thụ hiệu quả các photon phát ra từ bề mặt Trái đất. Kết quả là bức xạ nhiệt bị trì hoãn. Điều này giải thích hai loại khí hậu - biển và lục địa. Trong trường hợp khí hậu biển, sự hiện diện của hơi ẩm trong khí quyển làm trì hoãn sự thoát ra khỏi bề mặt Trái đất và vào ban đêm, khi bức xạ mặt trời không đến được một khu vực nhất định trên bề mặt Trái đất, bề mặt không có thời gian để