Ứng dụng mô hình mạng thần kinh nhân tạo dự báo tổng lượng bức xạ ngày cho khu vực đồng bằng phía bắc việt nam

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC Tự NHIÊN

ỮNG DỤNG MƠ HÌNH MẠNG THẨN k i n h n h ã n
TẠO D ự BẢO TỔNG LƯỢNG BỨC XẠ NGÀY CHO
KHU V ự c ĐỔNG BẰNG PHỈA BÀC VIỆT NAM
Mõ SỐ: ỌG.05.35
Chỏ trì để lài: PGS. TS Nguyễn Hướng Điền
Các thành viên tham gio: CN Hoàng Phúc Lâm
ThS Nguyễn Minh Trường
Ths Hồng Thanh Văn
CN Cơng Thanh

0A[

học q u o c gia ha

NOI

t r ư n g T M / T ' ị Ô N G T IN T H Ư V I Ê N

D T/

694

HÀ NỘI - 2007


BÁO CÁO TÓM TẮT ĐỂ TÀI

1. Tên đề tài: úng dụng mố hình mạng thần kinh nhân tạo dự báo tổng lượng
bức xạ ngày cho khu vực đổng bằng phía bắc Việt Nam
2. Mã số: QG.05.35
3. Chủ trì đề tài: PGS. TS. Nguyễn Hướng Điền
4. Các cán bộ tham gia:
CN Hồng Phúc Lâm
ThS Nguyễn Minh Trường
Ths Hồng Thanh Vân
CN Cơng Thanh
5. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu:
1) Mục tiêu:
- Tính tốn dự báo tổng lượng bức xạ mặt trời ngày tại những điểm có quan
trắc trực tiếp bức xạ trên khu vực đồng bằng phía bắc Việt Nam.
- Đánh giá sai sô' của dự báo.
2) Nội dung:
a) Nghiên cứu lý thuyết mơ hình mạng TKNT
b) Nghiên cứu dự báo tổng lượng bức xạ ngày cho khu vực nghiên cứu bằng
phương pháp sử dụng mạng TKNT
c) Nhận xét kết quả, đánh giá sai số và khả năng ứng dụng của các mơ hình
dự báo.
6. Các kết quả đạt được:
- Thử nghiệm một mơ hình dự báo tổng lượng bứcxạ ngày dựa trên việc hiệu
chỉnh đầu ra của mơ hình dự báo khí hậu NCEP bằng mạng TKNT nhận thức đa lớp
tự viết và mạng truy hồi với chất lượng thấp.
I
- Thử nghiệm mơ hình dự báo tổng lượng bức xạ ngày khác sử dụng mạng
TKNT truy hồi thời gian trễ và dự báo tổ hợp với chất lượng khá tốt. Có thể áp dụng
các mơ hình này vào dự báo tổng xạ Mặt Trời
7. Tình hình kinh phí của đề tài
Tổng kinh phí được cấp: 60.000.000 đồng

Đã nhận:

60.000.000 đổng

Đã thanh toán:

60.000.000 đồng


XÁC NHẬN
CỦA BAN CHỦ NHIỆM KHOA

PGS. TS. Phạm Văn Huấn

CHỦ TRÌ ĐỂ TÀI

PGS. TS. Nguyễn Hướng Điền

XÁC NHẬN CỦA TRƯỜNG
M lệ o T R U Ò N O


ABSTRACT
1. Project title: Applying the Artificial Neural Network to Predict the Solar
Radiation in the deltas of the Northern Part of Vietnam
2. Code number: QG.05.35
3. Project Leader: Assoc. Prof. Dr. Nguyễn Hướng Điền
4. Members:
B. Sc. Hoang Phuc Lam
M. Sc. Nguyen Minh Truong

M. Sc. Hoang Thanh Van
B. Sc. Cong Thanh
5. Aims and contents of project:
1) Aims:
-

Applying the Artificial Neural Network ANN to predict the global solar
radiation sums in the places having observational solar radiation in the
deltas of the Northern Part of Vietnam
Estimating the accuracy and usability of the obtained forecast model.

2) Contents:
a) Studying the theory of Artificial Neural Network
b) Studying the methods of forecasting the daily global solar radiation sums in
the places having observational solar radiation in the region of study using
Artificial Neural Network.
c) Remarking the results, estimating the accuracy and usability of the
obtained forecast models.
6. Results:
- A model for forecasting the daily global solar radiation sums using
multilayer perceptron wried by the authors and recuưent network to adjust
numerical climatic model NCEP output was experimented with a low
accuracy.
A model for forecasting the daily global solar radiation sums using TimeLagged Recurrent Network and another ansamble model were
experimented with rather large accuracy. These models can be applied to
predict global solar radiation.
7. Funding:
Total support:

60 000 000 VND

Received:

60 000 000 VND

Spent:

60 000 000 VND

iv


MỤC
■ LỤC
•
MỤC LỤC......................................................................................................................... 1
MỞ ĐẦU.......................................................................................................................... 2

CHUƠNG 1: TỔNG QUAN....................................................................................... 4
1.1 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng mạng TKNT.................................. 4
1.2. Các đặc trưng vật lý cơ bản của bức x ạ .................................................7
1.3. Sự hấp thụ bức xạ trong khí quyển.......................................................15
1.4. Sự khuếch tán bức xạ trong khí quyển................................................. 19
1.5. Cách tính bức xạ sóng ngắn trong khí quyển......................................21
1.6. Chế độ bức xạ ở khu vực đồng bằng phía b ắc.................................... 28
CHUƠNG 2: C ơ SỞ LÝ THUYẾT MẠNG THAN KINH NHÂN TẠO...............31
2.1.
2.2.
2.3.

Các khái niệm cơ bản về mạng thần kinh nhân tạo ...........................31
Các quy tắc và phương pháp xây dựng mạng TKNT.......................... 41
Các loại mạng TKNT và ứng dụng...................................................... 49

CHUƠNG 3: ÚNG DỤNG MẠNG TKNT DựBÁO TổNG XẠ CHO KHU v ự c
ĐỒNG BẰNG PHÍA BẮC VIỆT NAM .......................................................................60
3.1.
3.2.
3.3.
3.3.
3.4.

Số liệu và phương pháp dự báo............................................................ 60
Giói thiệu phần mềm NeuroSolutions.................................................. 61
Một số kỹ thuật phụ trợ ........................................................................64
Các chỉ số đánh giá, so sánh................................................................ 65
Kết quả...................................................................................................67

Kết lu ận .......................................................................................................................... 94
Tài liệu tham khảo..........................................................................................................96
PHỤ LỤ C........................................................................................................................99

1


MỞ ĐẦU
Bức xạ Mặt trời là nguồn năng lượng chủ yếu và vơ cùng q giá đối với trái
đất. Nó quyết định đến sự biến đổi khí hậu, sự sống của con người. Chính điều đó
địi hỏi con người phải biết khai thác triệt để và sử dụng nguồn năng lượng này một
cách có hiệu quả nhất. Nghiên cứu giảm thiểu những ảnh hưởng xấu đến sự sống

của con người và động thực vật nhằm mục tiêu phát triển bền vững. Trong những
thập kỷ gần đây, ở những nước tiên tiến người ta không chỉ mở rộng mạng lưới đo
đạc, nghiên cứu quy luật biến đổi theo không gian và thời gian của các yếu tố bức xạ
Mặt Trời, mà còn đi sâu thêm nghiên cứu phân bố năng lượng trong những dải phổ
hẹp của trực xạ, tổng xạ như C.PJacovide đã nhận xét: “Với sự gia tăng ứng dụng
của phổ bức xạ như: Pin Mặt Trịi, bình thu nhiệt và những ứng dụng trong môi
trường, nông nghiệp thúc đẩy nghiên cứu không chỉ với bức xạ tổng cộng của Mặt
Trời tại mặt đất mà còn trong từng thành phần phổ của nó”
Quả thực, những nghiên cứu về năng lượng mặt trời có ý nghĩa rất lớn trong
nơng nghiệp, trong công nghiệp chiếu sáng và năng lượng nhiệt cho các cơng trình
xây dựng, và tất nhiên, trong nghiên cứu khí tượng. Hơn thế nữa, vai trò của năng
lượng mặt trời ngày càng tăng cũng thúc đẩy những nghiên cứu sâu hơn và đầy đủ
hơn về năng lượng mặt trời.
Có nhiều nguyên nhân về kinh tế và môi trường thúc đẩy sự xúc tiến nghiên
cứu nguồn năng lượng này, đó là: sự phá hủy mơi trường do tiêu thụ khí ga, xăng,
dầu...; sự lo ngại về mức tăng khí c o và C02 trong khí quyển có thể dẫn đến phá
hủy tầng ozon và sự sống trên trái đất; viễn cảnh về sự thiếu hụt dầu lửa và khí ga
trong một vài thập kỷ tới nếu mức khai thác hiện nay vẫn được duy trì; nhu cầu của
các ngành và các khu cơng nghiệp mói, các nước có nền kinh tế phát triển, ... sự
thiếu hụt nguồn nước đối vói các cơng trình thủy điện và các mối đe dọa khác khi
giá dầu thế giới tiếp tục tăng cao.
Xuất phát từ những nguyên nhân đó, năng lượng mặt trời được xem là nguồn
năng lượng sạch, đầy hứa hẹn, thay thế cho các nguồn năng lượng truyền thống (như
đầu mỏ, than đá... ) đang được khai thác triệt để hiện nay. Nguồn năng lượng này
rất dồi dào ở các nước và khu vực nhiệt đới. Những hạn chế của năng lượng mặt trcri

2


hiện nay là nó bị phân tán trên diện rộng, có tính chất dao động mạnh phụ thuộc vào

điều kiện thời tiết, khó tích trữ và giá thành của nó cịn q đắt khi chuyển thành
dạng năng lượng thơng dụng nhất là điện năng. Tuy nhiên đó sẽ khơng phải là
những vấn đề trong một vài thập kỷ tới, khi khoa học dự báo thời tiết, khoa học năng
lượng đều đã có những tiến bộ đáng kể trong thời gian gần đây. Do đó, những
nghiên cứu về tiềm năng, sự biến đổi theo thời gian, và khả năng dự báo bức xạ mặt
trời là rất cần thiết. Nhu cầu thực tế đòi hỏi những dự báo năng lượng mặt trời chính
xác hơn so với những gì các mơ hình khí hậu ngày nay đã làm được. Gẩn đây nhất,
tác giả Ricardo A. Guamieri và cộng sự [25] đã sử dụng mạng TKNT điều chỉnh kết
quả dự báo bức xạ mặt trời của mơ hình quy mơ vừa Eta cho khu vực nam Brazil, kết
quả được đánh giá là khả quan và có ý nghĩa thực tiễn, giúp cải thiện đáng kể dự báo
của mơ hình (sai số của mơ hình giảm 20 - 30%).
Trong đề tài này, để xây đựng mạng TKNT dự báo tổng xạ, chúng tôi sử
dụng số liệu quan trắc củã các yếu tố: Bức xạ tổng cộng (tổng xạ) của 4 trạm: Láng
(Hà Nội), Phủ Liễn (Hải Phịng), n Định (Thanh Hóa) và Vinh (Nghệ An) trong
vịng 10 năm (1981 - 1990) kết hợp vói sử dụng các số liệu tái phân tích của NCEP
của các yếu tố: tổng xạ ngày tại bề mặt, tổng xạ đến đỉnh của khí quyển, nhiệt độ
trung bình ngày, độ ẩm tuyệt đối tầng lOOOmb, độ ẩm tương đối bề mặt, lượng mây
trung bình ngày, tổng lượng nước khả giáng trong cột khí quyển, các thành phần gió
bể mặt, độ dày lớp khí quyển giữa các mực 1000, 850 và 500mb,„.
Ngoài phần mở đầu, kết luận, tài liệu tham khảo, nội dung báo cáo đề tài
gồm 3 chương:
Chương I: Tổng quan
Chương II: Cơ sở lý thuyết về mạng TKNT
Chương ni: ứng dụng mạng TKNT dự báo tổng xạ cho khu vực
đồng bằng phía Bắc Việt Nam.

3


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1

Tình hình nghiên cứu và úng dụng mạng TKNT

Các công nghộ mới trong kỹ thuật, vật lý, đặc biệt là vật lý khí quyển, sinh
học... đã làm nảy sinh một loạt các vấn đề phi tuyến, bất ổn định và phức tạp. Để
giải được các bài toán đó địi hỏi phải có các cơng cụ xử lý, tính tốn phi tuyến,
trong số các cơng cụ đó, mạng thần kinh nhân tạo (TKNT) tỏ ra có ưu thế vượt trội.
Mạng TKNT đáp ứng được nhu cầu vì nó được luyện trên các mẫu, sử dụng các
công cụ thống kê và giả thuyết tối ưu. Có nhiều loại mạng TKNT khác nhau, trong
đó có mạng truy hồi, mạng nhận thức đa lớp và mạng thời gian trễ. Việc sử dụng
mạng truy hồi như một công cụ dự báo ngày càng thể hiộn nhiều ưu điểm trên nhiều
lĩnh vực nhờ vào khả năng liên kết giữa các lớp, các phần tử hoạt động1trong mạng.
Quá trình phát triển của mạng TKNT trải qua nhiều giai đoạn khác nhau,
được đánh dấu bằng các mốc quan trọng: những năm 40 của thế kỷ 20 đánh dấu
những phát triển đỉnh cao đầu tiên với các nghiên cứu của McCulloch và Pitts
(1943); nhưng mãi đến năm 1949, Hebb đưa ra thuật toán học đầu tiên của mạng,
gọi là thuật tốn Hebb, mạng TKNT chính thức ra đời và khẳng định khả năng tính
tốn trong các bài toán phi tuyến. Dấu mốc thứ hai xuất hiện những năm 60 với giả
thuyết hội tụ của mạng nhận thức của Rosenbatt (1960), thành công đầu tiên trong
lĩnh vực mạng TKNT là nơron thích ứng tuyến tính — ADALINE2 và nơron thích
ứng tuyến tính da biến - MADALINE3 do Widrow và Hoff (1960) phát triển; sau đó,
Minsky cùng Papert chỉ ra hạn chế của mạng nhận thức đơn giản (1969). Kết quả
của Minsky và Papert đã ỉàm thất vọng nhiều nhà khoa học, đặc biệt là các nhà khoa
học trong ngành khoa học tính tốn lúc bấy giờ. Chính những cơng bố này đã làm
chậm tiến trình phát triển của mạng TKNT gần 20 năm. Mãi đến những năm 80,
mạng TKNT mói có được những thành tựu đáng chú ý mới. Đó là cơng trình của
Hopfield [16] với cách tiếp cận dưới khía cạnh năng lượng và thuật tốn học lan
truyền ngược cho mạng nhận thức đa lớp. Nhiều người nhắc đến cơng trình này của

1Processing Elements
2 ADAptive Linear Neuron
3 Multiple ADALINE

4


Hopfield như một sự khởi đẩu thứ hai cho mạng TKNT. Sau đó cơng trình được tiếp
tục phát triển và công bố rộng rãi năm 1986 trong bài viết của Rumelhart và cộng
sự. Từ đó đến nay, cùng vói sự phát triển của công nghệ thông tin và truyền thông,
cộng đồng người sử dụng mạng TKNT tăng lên đáng kể và được mở rộng trên nhiều
lĩnh vực. Trong khí tượng học, đã có nhiều nhà khí tượng học trên thế giới và Việt
Nam sử dụng mạng TKNT như những công cụ thống kê cho các bài toán phức tạp
giúp hiệu chỉnh sản phẩm mơ hình số, tái tạo và bổ xung số liệu, tính tốn tổng
lượng ozon trong khí quyển...
Do tính đa dạng của các loại mạng khác nhau nên rất khó cho việc phân loại
mạng, nhưng trong đề tài này, tôi cũng cố gắng đưa ra một cách phân loại phổ biến
nhất mà đã được nhiều tác giả trình bày. Sự phân ỉoại ở đây chỉ áp dụng cho các
thuật toán và các phương pháp học phổ biến được dùng trong mạng TKNT, có thể
cịn nhiều thuật tốn cũng như phương pháp khác nhưng do không được sử dụng
rộng rãi nên cũng không được đưa vào phân loại trong đề tài này.
Bảng 1: Phân loại mạng TKNT và ứng dụng [21]
Học có điều kiện

Thuật tốn

Úng dụng

Hopfield (Zurada, 1992; Haykin,

Hebbian (Zuruda, 1992;

1994)

Haykin,
Lan truyền ngược

mối liên hệ Nhận thức đa lớp (Zuruda, 1992;
Carling, 1992; Haykin, 1994;

(Zuruda, 1992; Haykin,

Bishop, 1995; Patterson, 1996)

1994; Bishop, 1995;)

Nhận thức đa lớp (Zuruda, 1992;

nhận dạng

1994; Kung,

1993)

Phát hiện

Phân loại,

Học không điều kiện

-

Lan truyền ngược

Carling, 1992; Haykin, 1994;
Bishop, 1995)
Các hàm xuyên tâm cơ sở (Zuruda,

Bình phương tối thiểu

Trung bình k phần tử
(Bishop, 1995)

1992; Bishop, 1995)

5


Bảng 1: Phân loại mạng TKNT và ứng dụng (tiếp)

Phân tích
dặc trưng

Nhân tố cạnh tranh (Zurada, 1992;

Nhân tố cạnh tranh

Haykin, 1994)

(competitive)

Kohenen (Zurada, 1992; Haykin,

Kohenen

1994)
Nhận thức đa lớp (Kung, 1993)

Lan truyền ngược

Phân tích thành phẩn dặc tnmg

1992; Kung, 1993)

(Zurada, 1992; Kung, 1993)

Dự báo

Thuật toán Oja (Zurada,

Mạng thời gian trễ (Zurada, 1992;

Lan truyền ngược theo

Kung, 1993, de Vries và Principe,

thời gian (BPTT)

1992)
Mạng truy hồi tồn phẩn (Zurada,

1992)

Tính đến nay, trên thế giới đã có rất nhiều cơng trình nghiên cứu ứng dụng
mạng TKNT được cơng bố trên các tạp chí, gần đây nhất là vào tháng 4 năm 2006,
Ricardo A. Guarnieri cùng đồng nghiệp [25] đã sử dụng mạng TKNT hiệu chỉnh dự
báo tổng xạ của mơ hình khí hậu khu vực Êta, trước đó, vào tháng 1 năm 2000,
David Silverman và John A. Dracup [11] đã dùng mạng TKNT dự báo mưa ở khu
vực California, năm 2002, luận văn Thạc sỹ của Bin Li [7] (Đại học Georgia, Hy
Lạp) đã sử dụng mạng TKNT là cơng cụ nội suy trường khí tượng về trạm thay cho
các phương pháp nội suy truyền thống... và nhiều cơng trình nghiên cứu chun biệt
về lĩnh vực mạng TKNT đáng chú ý khác như các công trình của Danilo p. Mandic
[9], Hopfield [16], Jose c. Principe [18], Lakhmi c. Jain và N.M. Martin [19],
Marcelo c. Medeiros và đồng nghiệp [20], Pattĩick van der Smagt và Ben Krose [21]
và s. Haykin [25].
Còn ở Việt Nam, các tác giả Lê Xuân Cầu [1] đã ứng dụng mạng TKNT dự
báo lũ trong thủy văn, tác giả Nguyễn Hưóng Điền và cộng sự cũng đã có nhiều
cơng trình nghiên cứu ứng dụng mạng TKNT trong dự báo khí tượng thủy văn [3, 4].
Tất cả các cơng trình trên đều có chung kết luận: Mạng TKNT đã cải thiện đáng kể
kết quả dự báo so với các phương pháp khác.

6


1.2.
a.

Các đặc trưng vật lý cơ bản của bức xạ
Bản chất của bức xạ

Năng lượng được truyền từ nơi này đến khác dưới 3 dạng: quá trình truyền

dẫn liên quan đến vận chuyển năng lượng động lượng của nguyên tử và phân tử
(thường biểu hiện dưới dạng nhiệt). Do đó, nếu một đầu của thanh kim loại bị đốt
nóng thì phân tử kim loại ở đó sẽ chuyển động nhanh hơn, va chạm với các phân tử
khác và truyền động lượng cho chúng. Đến lượt nó, các phân tử này lại truyền động
lượng đó cho các phân tử xung quanh; và kết quả là nhiệt lượng được truyền đến đầu
thanh kỉm loại bên kia.
Nãng lượng cũng có thể được vận chuyển thông qua sự vận chuyển vật lý của
vật chất. Trong chất khí và chất lỏng, sự vận chuyển năng lượng này được biết đến là
quá trình đối lưu. Theo nghĩa rộng của từ đối lưu nó khơng chỉ bao gồm vận chuyển
năng lượng theo chiều thẳng đúng khi lớp khơng khí hoặc chất lỏng bên dưới bị đốt
nóng mà nó cịn là sự khuyếch tán rối và bình lưu nhiệt theo mọi hướng.
Và cuối cùng, năng lượng cịn có thể được truyền từ vật thể này sang vật thể
khác nhờ các sóng điện từ có hoặc khơng có sự tồn tại của một phương tiện vật lý
trung gian, thông qua quá trình bức xạ. Năng lượng điện từ lan truyền theo đường
thẳng và với một vận tốc không đổi trong chân khơng.
c « 3.00xl010 cm/s
Bức xạ được đặc trưng bởi bước sóng, X, là khoảng cách giữa hai đỉnh sóng
liên tiếp; hoặc bởi tần số, V, là sơ đỉnh sóng đi qua một điểm cố định trong một đơn
vị thời gian. Rõ ràng rằng:
Ằ..V = c

Chi tiết về các loại sóng và bưóc sóng trong khơng gian xem bảng 2.
b.

Bức xạ mặt trời

Mặt trời là một ngôi sao (định tinh) gần chúng ta nhất. Nó là một quả cầu lửa
khổng lồ, có đường kính khoảng 1 390 600 km (gấp 109 lần đường kính trái đất),
thể tích l,41.10l8km3, khối lượng khoảng l.io 30 kg (gấp hơn 330 000 lần trái đất).
Trái đất quay xung quanh mặt trời theo một quĩ đạo elíp gần trịn (mặt trời ở một

7


tiêu điểm) mà khoảng cách ngắn nhất từ mặt trời đến trái đất là 147 triệu km (ngày 3
tháng 1) khoảng cách xa nhất là 152 triệu km (ngày 5 tháng 7), khoảng cách trung
bình là 149,5 triộu km (ánh sáng truyền mất hơn 8 phút). Mặt trời bức xạ liên tục
lượng bức xạ khổng lổ ra xung quanh. Lượng bức xạ mặt trời lớn tới mức có thể làm
tan và bốc thành hơi một vỏ nước đá đầy 12m bọc quanh nó trong vịng 1 phút. Tuy
nhiên, khí quyển trái đất chỉ hứng được một phẩn 2 tỷ lượng bức xạ của mặt trời.
Tuy vậy, lượng bức xạ này cũng rất lớn, vào khoảng 1,5.1 o28 J mỗi ngày [2].
Bức xạ mặt ười trên đường tới trái đất bị nhiều tác dụng làm suy yếu cho nẽn
phổ bức xạ mặt trời mà ta quan trắc được trên trái đất không giống như phổ bức xạ
tại gốc của mặt trời. Người ta thấy phổ bức xạ điện từ của mặt trời rất rộng, từ tia
Gamma đến sóng vơ tuyến.
Bảng 2: Các loại bức xạ và bước sóng trong khơng gian
Loại bức xạ

Bước sóng

Tia y có bước sóng trong chân khơng

X < 10'5Jim

Tia Rơnghen (X)

10'5< X< 10’2 |im

Tia cực tím

10‘2< A,<0,38 um

Ánh sáng nhìn thấy

0,38 < x < 0,76 |am

Tia hồng ngoại

0,76 < A.< 3000 |im

Sóng vơ tuyến

có X > 3000 jam

Nhũng kết luận về bức xạ của mặt trời có thể chỉ ra là:
-

Phổ bức xạ mặt trời tương tự như của vật đen tuyệt đối. Nếu chúng ta đo

tổng năng lượng nhận được từ mặt trời tói một đơn vị diện tích trong một đơn vị thịi
gian và tính toán nhiệt độ của vật đen theo định luật Stefan-Boltzmann ứng với tổng
năng lượng đó thì ta nhận được nhiệt độ của mặt trời là 5750°K. Mặt khác, chúng ta
cũng có thể do bức xạ như là một hàm của bước sóng, ứng với năng lượng phát xạ
cực đại, và tính tốn nhiệt độ vật đen từ định luật Wienl. Bức xạ cực đại là
0.4740nm, tương ứng với nhiệt độ 6108°K. Hiển nhiên mặt trời không phải là vật
đen tuyệt đối vì hai nhiệt độ này khơng thống nhất với nhau. Sự khác biệt này là do
sự hấp thụ sóng ngắn của lớp “khí” phía ngồi mặt trời (sự hấp thụ này không ảnh
8

hưởng đến phát xạ cực đại - 0.4740|im nhưng lại ảnh hưởng đến năng lượng rọi tới
trái đất). Tuy nhiên, gần đúng vật đen tuyệt đối của mặt trctí là thích hợp cho rất
nhiều mục đích khác nhau.
-

Cường độ phát xạ năng lượng của mặt trời là rất ổn định: Những đo đạc về

độ rọi của bức xạ mặt trời đã được s.p. Langley và đặc biột là c. G. Abbot thực hiện
từ nhiều năm trước đây. Sự thay đổi khoảng cách giữa mặt trời và trái đất trong năm
cố thể dễ dàng được đưa vào tính tốn, nhưng những biến đổi về sự hấp thụ của khí
quyển lại gây ra rất nhiều khó khăn. Phương pháp hiệu quả nhất được Abbot và các
đổng nghiệp đưa ra là:
c
o

ỊkiPCCSêdz
S>
s ■ SA0e
trong đó, Sxz là độ rọi bức xạ mặt trời đơn sắc tại mực z
Sx.0 ỉà độ rọi bức xạ mặt trời đơn sắc tại giới hạn trên của khí quyển
k; là hệ sô' suy yếu khối đơn sắc
p là mật độ khơng khí
ỡ là góc thiên đỉnh của mặt trời
Và giá trị này được Abbot tính tốn ra là khoảng 1.00 cal/cm2/phút {lcalìcm2
cịn được gọi là 1 langỉey, ký hiệu là ly) đối với mặt phẳng vng góc với tia sáng
mặt trời ở khoảng cách trung bình giữa trái đất và mặt trời (152 triệu km) và được
gọi là hằng số mặt tròi.
Về sau, nhờ những thiết bị hiện đại, người ta có thể xác định được giá trị
chính xác hơn của hằng số mặt trời. Năm 1986, Hội nghị Quốc tế ở Davos (Thụy
Sỹ) đã chấp nhận giá trị S0 = 1367 W/m2 = 1.968 cal/cm2/phút.

Các nghiên cứu còn cho thấy hằng số mặt trời và phổ bức xạ của mặt trời có
biến đổi theo thời gian, nhất là vùng phổ bức xạ cực tím, ảnh hưởng tới sự hấp thụ
năng lượng ở các mực trên của khí quyển.
c.

Các dịng bức xạ trong khí quyển

Trái đất nhận năng lượng bức xạ chủ yếu từ mặt trời. Năng lượng đến trái đất
từ các thiên thể khác trong vũ trụ là khơng đáng kể. Khi truyền trong khí quyển, do
tính bất đồng nhất về mặt quang học, về trạng thái lý hố của khí quyển, bức xạ mặt

9


trời bị hấp thụ và khuếch tán. Phần khá lớn của bức xạ mặt trời đến được mặt đất
dưới dạng chùm tia song song được gọi là bức xạ trực tiếp hay trực xạ. Phần bức xạ
bị khí quyển khuếch tán từ mọi điểm của vòm trời đến mặt đất gọi là bức xạ khuếch
tán hay tán xạ. Tổng của trực xạ và tán xạ gọi là bức xạ tổng cộng hay tổng xạ.
Đức xạ mặt trời khi đến mặt đất, phần cơ bản bị hấp thụ chuyển thành nhiệt
đốt nóng mặt đất, phần khác bị phản xạ trở lại khí quyển. Phần bức xạ mặt trời bị
mặt đất hay khí quyển (chủ yếu do mây) phản xạ trở lại được gọi là bức xạ phản
chiếu hay phản xạ.
Mức độ hấp thụ bức xạ của mặt đệm lớn hơn rất nhiẻu so với khí quyển vì khí
quyển về cơ bản là môi trường khuếch tán bức xạ, chứ hấp thụ thì rất ít, trừ mây. Nói
chung, phẩn bức xạ do mặt đệm hấp thụ thường gấp ba lần phần bức xạ do khí
quyển hấp thụ.
Đến lượt mình, do bị đốt nống, mặt đất trở thành nguồn phát xạ nhiệt hướng
tới khí quyển. Bức xạ phát ra từ mặt đất gọi là bức xạ mặt đất. Tương tự như vậy, khí
quyển cũng phát xạ về mọi hướng và một phẩn hướng về mặt đất, phần này gọi là
bức xạ nghịch của khí quyển.

Các dịng bức xạ kể trên khác nhau về thành phần phổ. Phần cơ bản của bức
xạ mặt trời do phát xạ ở nhiệt độ cao, nên nằm trong khoảng phổ nhìn thấy. Trong
khi đó bức xạ mặt đất và bức xạ khí quyển phần lớn ở bước sóng lớn hơn 4 |im. Do
sự khác biệt này mà bức xạ mặt trời được gọi là bức xạ sống ngắn cịn bức xạ mặt
đất và khí quyển gọi là bức xạ sóng dài.
Như vậy, trong khí quyển ln tồn tại một hệ các dòng bức xạ khác nhau về
thành phần phổ và hướng. Khi nghiên cứu các dòng này ta thường xét phần được vận
chuyển, phần bị phản xạ và phần bị hấp thụ chuyển thành nhiệt. Về mặt năng lượng,
tổng đại số của tất cả các dòng bức xạ qua một bề mặt nào đó (năng lượng bức xạ
tới- năng lượng bức xạ rời khỏi bề mặt) đặc trưng cho sự hấp thụ- phát xạ, còn được
gọi là cán cân bức xạ.
Nghiên cứu tất cả các dòng bức xạ trong khí quyển là nhiệm vụ của chuyên
ngành bức xạ học.

10


d.

Sự phân bố của bức xạ mặt trời theo vĩ độ

Nếu khơng có khí quyển, bức xạ mặt trời tới mặt đất dưới dạng những tia song
song. Khi đó trong một đơn vị thời gian trên mỗi đơn vị diên tích mặt đất nằm ngang
ở điểm bất kỳ sẽ có năng lượng bức xạ mặt trời đi tới, tức độ rọi trực xạ (mà trong
nhiều tài liệu vẫn gọi là cường độ trực xạ) bằng:
S '= % s in h „
R

(1.1)

R là khoảng cách tương đối giữa mặt trời và trái đất, bằng tỷ số giữa khoảng cách
thực r và khoảng cách trung bình r , cịn ho là độ cao mặt trcd trên chân trời (xem
hình 1.1) tại thời điểm đang xét (Tỷ số Sq/R2 cho ta độ rọi bức xạ mặt trời tói mặt
vng góc với các tia mặt trời ở thời điểm đang xét).
Độ cao mặt trời tại mỗi điểm phụ thuộc vào vĩ độ địa lý (p, thời gian trong
năm và trong ngày. Trong thiên vãn học người ta đã chứng minh được cơng thức:
sinh^simpsinơ+costpcosỗcosíD

(1.2)

trong đó 5 là xích vĩ (“vĩ độ” của mặt trời), thay đổi theo thời gian trong năm giữa
2nt
hai giá trị ±23°27', cịn (0 là góc giờ mặt trời, (ù = —— với T là chu kỳ quay của trái
X
đất quanh trục của nó (» 24 giờ), cịn t là thời điểm trong ngày (theo giờ thực ứng
vói kinh độ địa phương) tính mốc lúc giữa trưà. Thay (1.2) vào (1.1) ta được:
£
S'= —j(sin ộ?sin£ + COS ộ?cos Jcosiy)
R

11

(1.3)


Biểu thức trên cho phép ta tính được lượng nhiệt từ mặt ười đến mỗi đơn vị
diện tích mặt đất ở các vị trí có vĩ độ (p khác nhau trong một khoảng thời gian nào
đó (tức độ phơi bức xạ trong khoảng thời gian đố). Chẳng hạn, ta có thể xét độ phơi
bức xạ trong một ngày đêm, tại một điểm đã cho, ỉượng nhiệt từ mặt trời tới mặt đất
trong suốt thời gian từ lúc mặt trời mọc đến lúc mặt trời lặn. Tại hai thời điểm này

ho=0, tức là sinh„=0 nên:
sin (p sin s + COS ọ COS s COS

2ĩữ„

=0

sin = -tgẹtgS
COS
2JO,
COS
K r

(1.4)

± ta = -^ a rc c o s( - íg ẹ t g ỗ )

(1.5)

2ĩĩ

(dấu "+" ứng với thời điểm mặt trời lặn, còn dấu

ứng với thời điểm mặt trời

mọc).
Như vậy thời điểm mặt trời mọc và lặn chỉ phụ thuộc vào vĩ độ và xích vĩ. Khi
đó tích phân (1.3) ta được độ phơi ngày:

H = Js'ifr = S a ỊÍsiní3sinố + cosí£>cost5cos-^-

T)R

(1.6a)

Trong một ngày đêm R và 5 biến đổi khơng đáng kể nên:
H=

27rt '
25,
/„ sin ọ sin ổ + — COS tp ca sỗ sin
R‘
'In

(1.6b)

Vì t0 được xác định theo công thức (1.5) nên H chỉ phụ thuộc vào vĩ độ địa lý

theo vĩ độ và thời gian trong năm trong điều kiện khơng có khí quyển.
Từ (1.1) và (1.2) ta thấy độ rọi đạt giá trị lóm nhất tại thời điểm t = 0 (lúc giữa
trưa) tại nơi thoả mãn điều kiện:
siiupsinỗ + coscpcosô = cos(cp-ô) = 1

(1.7)

tức là tại lúc giữa trưa ngày mặt trời qua thiên đỉnh (cp=ô), còn độ rọi sẽ nhỏ nhất
E=0, tại thời điểm mặt tròi mọc và lặn (ho=0).

12

Các kết quả tính theo cơng thức (1.6b) đối vói các vĩ độ khác nhau ở Bắc bán
cầu vào các ngày hạ chí và đơng chí (ơ=±23,45°) được đưa ra trong bảng 3.
Bảng 3: Độ phơi bức xạ mặt trời H (MJ/m2ngày đêm) tới mặt đất ưong trường hợp
khơng có khí quyển ở một số vĩ độ thuộc bán cầu Bắc
Vĩ độ
ngày
Hạ
chí(22/6)
Đơng
chí(22/12)

0

10

20

33.38

36.91

39.53

35.64

31.00

25.59

30

40

50

60

70

80

90

41.20 41.19

41.83

41.38

41.77

41.82

45.52

19.68

7.42

1.09

0

0

0

13.41

Trên hình 1.2 trình
bày biến trình năm của H ờ
một số vĩ độ khác nhau, tính
theo cơng thức (1.6b).
Từ hình này ta thấy
rằng ở gần xích đạo (đến vĩ
độ ±23,45°) độ phoi (hoặc
nhập nhiệt) sau ngày đêm có
biến trình kép thể hiện hai
cực tiểu vào ngày đơng chí
và hạ chí. Ở giữa xích đạo

Hình 1. 2: Biến trình năm của bức xạ ở một số vĩ độ

thì hai cực đại rơi vào ngày xuân phân (22/3) và thu phân (22/9). Dịch lên phía bắc,
như ở Việt Nam chẳng hạn, hai cực đại này xích lại gần nhau hon, tói chí tuyến thì
chúng nhập lại thành một cực đại duy nhất. Ở vùng vĩ độ trung bình ở bán cầu Bắc,
biến trình năm của H có dạng đơn thể hiện một cực đại vào ngày hạ chí và một cực
tiểu vào ngày đơng chí. ở vùng vĩ độ cao xung quanh vịng cực ( I

66,55°) có

một thời gian dài trong năm khơng có bức xạ tới, nhưng thời gian giữa mùa hè có

13


lượng bức xạ tới lớn nhất (tại đỉnh cực, bức xạ đến sau 24 giờ vào ngày hạ chí gấp
1,365 lần lớn hơn ở xích đạo).
Ở bán cầu Nam sự việc xảy ra tương tự nhưng vẻ thời gian lệch đi 6 tháng so
với bán cầu Bắc. Thêm vào đó, do quỹ đạo trái đất quanh mạt trời cố dạng elíp và
lức trái đất xa mặt trời nhất lại vào ngày mùng 5 tháng 7, gần ngày đơng chí ở bán
cẩu Nam (22/6), cho nên lượng bức xạ tới lại càng ít. Ngược lại, trái đất gần mặt trời
nhất vào ngày mùng 3 tháng 1, gần ngày hạ chí ở bán cầu Nam, nên lượng bức xạ
tói lại càng tảng mạnh. Sự tăng, giảm bức xạ do khoảng cách mặt trời - trái đất thay
đổi trong một năm chỉ vào khoảng ±3% so với múc trung bình nhưng cũng là một
trong những nhãn tố làm cho khí hậu ở bán cầu Nam cố phần khắc nghiệt hơn ở bán
cầu Bắc.
Để rõ hơn về điều này, ta có thể xem trong hình vẽ dưới đây:

Hình 1.3: Bức xạ mặt trời (cal/cm2/ngày) đến bề mặt trái đất trong trường hợp
khơng có khí quyển
Nhận xét: Trong trường hợp khơng có khí quyển, độ rọi bức xạ đạt cực đại tại
khu vực xích đạo, khoảng 790 - 895 lyỉngày (cal/cm2/ngày). Trong khi đó, ở hai cực
có dao động rất lớn, xấp xỉ 0 vào mùa đông và cực đại vào mùa hè đạt tới 1100
ly/ngày. Một cực đại thứ hai xuất hiện ở khoảng gần vĩ tuyến 45° ở cả hai bán cầu, là
kết quả của sự kết hợp giữa sự tăng của thời gian chiếu sáng theo vĩ độ và sự tăng
của độ rọi theo vĩ độ. Qua hình 1.3, ta nhận thấy phân bố giữa hai bán cầu là khá

14

tương đổng, tuy nhiên, bán cầu nam nhận bức xạ ngày nhiều hơn bán cầu bắc, ví dụ,
giá trị cực đại của bắc bán cầu là 1077 lyỉngày, còn ở nam bán cầu là 1149 iy/ngày
do bán cầu nam vào mùa hè gần mặt trời hơn so với bán cầu bắc vào mùa hè.
1.3.

Sự hấp thụ bức xạ trong khí quyển

Như trên đã trình bày, sự suy yếu bức xạ trong khí quyển là do sợ hấp thụ và
khuếch tán của khơng khí. Khí quyển hấp thụ tương đối ít bức xạ mặt trời. Trong
khoảng phổ cực tím và hồng ngoại thì khí quyển hấp thụ manh hơn (có độ hấp thụ
lớn hem). Tính trung bình, độ hấp thụ của khí quyển chỉ vào khoảng 18% đối với bức
xạ sóng ngắn tới của mặt trời và vào khoảng 62% đối với bức xạ sóng dài của mặt
đất phát đi. Sự khác nhau đổ dẫn tới kết quả là bức xạ sống ngắn của mặt trời xuyẻn
qua khí quyển khá dễ dàng đốt nống mặt đất (vào ban ngày), nhưng bức xạ sóng dài
của mặt đất và các lớp khí quyển thấp lại khố thốt ra khơng gian vũ trụ, giữ cho
nhiệt độ trung bình của trái đất cao hơn hẳn so vớỉ trường hợp khơng có khí quyển.
Tác dụng giữ ấm mặt đất của khí quyển tương tự như kính bảo vệ cây trong vườn, vì
vậy người ta thường gọi tính chất ấy của khí quyển là hiệu ứng nhà kính.
Đóng vai trị quan trọng hơn cả trong sự hấp thụ bức xạ trong khí quyển là
các khí oxy, ozon, cacbonic, hơi nước và xon khí ( bụi và nước ngưng k ế t). Song sự
hấp thụ của các chất này có chọn lọc, nghĩa là mỗi chất chỉ hấp thụ những tia bức xạ
có bước sóng nhất định. Mức độ hấp thụ và các dải hấp thụ chính của các chất khí
trên ở dải sóng ngắn có thể nhận biết trên hình 1.4a qua việc so sánh đường cong
phân bố phổ bức xạ mặt trời tại biên giới trên của khí quyển và tại mặt đất. Như ta
thấy trên hình, mức độ hấp thụ phụ thuộc vào cả độ cao mặt trời. Hình 1.4b biểu
diễn trên cùng một thang độ đường phân bố phổ bức xạ sóng ngắn từ mặt trời và
sóng dài của vật đen tuyệt đối ở nhiệt độ T cùng độ lớn với nhiệt độ thường gặp của
mặt đất hoặc khí quyển dưới thấp. Qua đây ta hiểu được rằng, khi có nắng, năng
lượng bức xạ sóng ngắn từ mặt mặt trời thường lớn gấp nhiều lần bức xạ sóng dài
của khí quyển tới mặt đất. Ở dải sóng lân cận bước sóng A,=4-5|im năng lượng tới

mặt đất là ít nhất. Hình 1.4c là sự phóng to đường cong phân bố phổ bức xạ sóng dài
của mạt đất coi là đen tuyệt đối (đường đứt nét phía trên) và một đường phân bố
trong thực tế (đường liền nét phía dưới) ở vùng phát xạ cực đại của nó (bước sóng 5 15fim).

15


* K * * B xP )

lĨỶMn'
JOB

b)

m
m
m
ao
eo
to

a
w
ỈO

Hình 1.4: Phân bố năng lượng bức xạ mặt trời và mặt đất theo bước sóng
Đối với oxy ( 0 2): Oxy có các dải hấp thụ trong khoảng phổ nhìn thấy và cực
tím. Trong khoảng phổ nhìn thấy có các dải A với tâm ở 0,76 um và dải B với tâm ở
0,69fim. Song hộ số hấp thụ của oxy trong hai dải này khơng lớn nên ảnh hưởng của
nó đến sự suy giảm bức xạ là không đáng kể. Oxy hấp thụ các sóng cực tím mạnh

hơn rất nhiều ở các dải mang tên Runghe - Surman, Gherxbeg.
Sự hấp thụ này chủ yếu diễn ra ở các lớp trên cao dẫn đến sự phân ly phân tử
oxy và tạo thành ozon.

16


Đối với ozon

(O 3):

Ozon chủ yếu phân bố ở độ cao từ 10km đến 60km, có

mật độ tập trung lớn nhất ở độ cao 22km. Ozon có khả năng hấp thụ bức xạ trong
một số khoảng phổ, đặc biệt là trong khoảng phổ cực tím. Vạch hấp thụ quan trọng
nhất của ozon là vạch Gartlei nằm trong khoảng phổ cực tím từ À. = 0,200fxm đến
X = 0,320 fim, ngồi ra cịn có vạch yếu hơn với tâm ở X = 0,360jưn. Trong vạch
Gartlei, hấp thụ cực đại xảy ra ở bước sóng X = 0,255nm. Qua lớp ozon bức xạ ở
khoảng bước sóng này bị suy giảm tới một nửa (khi áp suất và nhiệt độ ở điều kiện
tiêu chuẩn).
Trong khoảng phổ nhìn thấy ozon hấp thụ một dải bức xạ có bước sóng từ
0,430 - 0,750ụm, hấp thụ mạnh nhất xảy ra ở bước sóng X = 0,600fim. Tuy hệ số
hấp thụ của ozon trong dải này nhỏ hơn nhiều so với dải Gartlei nhưng năng lượng
bức xạ tập trung trong khoảng phổ này lớn nên sự suy yếu cũng đáng kể.
Do sự hấp thụ của ozon, phổ mặt trời quan trắc được ở mặt đất bị gián đoạn
nhiều nơi trong khoảng bước sóng nhỏ hơn 0,300um. Điều này có tầm quan trọng
lớn đối vói sự sống trên trái đất, bởi vì tia bức xạ cực tím cường độ mạnh có thể phá
huỷ các mơ trong tế bào sống, gây nên bệnh ung thư da..., nhưng tia cực tím (tử
ngoại) cường độ yếu lại rất cần thiết cho con người.
Ngồi ra ozon cịn có một số vạch hấp thụ yếu trong miền hồng ngoại trong

dải hẹp 9,4 - 9,9|im, song đa số các vạch này bị bao phủ bctì các vạch hấp thụ mạnh
của hơi nước và khí cacbonic.
Đối với khí cacbonic (CO 2 ): Khí cacbonic có một số dải hấp thụ trong
khoảng phổ hổng ngoại, trong đó dải mạnh nhất là dải hẹp có tâm ở bước sóng
4,3|im. Song dải này khơng có ý nghĩa lớn vì năng lượng trong quang phổ này của
bức xạ mặt trời và bức xạ trái đất đều nhỏ. Dải quan trọng hơn là dải rộng
(12,9 - 17,lụm ) có tâm ở k = 14,7|am, vì dải này nằm trong quang phổ bức xạ nhiệt
cực đại của khí quyển. Ngồi hai dải chính trên, cacbonic cịn có một số dải yếu có
tâm ỞX = 2,lụ m và Ằ. = 2,05|im.
Nồng độ khí cacbonic trong khí quyển trong những thập kỷ gần đây đã tăng
lên đáng kể do hoạt động của con người. Sự gia tăng này kết hợp với khả nãng hấp
thụ mạnh của cacbonic trong quãng phổ bức xạ nhiệt cực đại của khí quyển đã cản
Đ A i H Ọ C

Q 'J O C

T R U N G T z' ’ ~

17

'T /

£34

7 IA

uO i
V .Ệ N

trở sự thốt nhiệt của trái đất ra khơng gian vũ trụ. Trong các loại khí nhà kính nhân
tạo thì cacbonic đóng góp nhiều nhất vào sự tăng lên của nhiệt độ trái đất trong
những thập kỷ vừa qua, do đó lồi người cần có những nỗ lực chung để giảm thiểu
sự phát thải nó.
Đối với hơi nước (H20 ): Hơi nước là loại khí nhà kính “thiên tạo” quan trọng
nhất. Nó cố ỷ nghĩa lớn nhất trong sự hấp thụ bức xạ khí quyển, giữ ấm cho trái đất.
Đó là VI lượng hơi nước có trong khí quyển rất lớn và nó có phổ hấp thụ phức tạp với
nhiều vạch, dải khác nhau. Trong khoảng phổ nhìn thấy, hơi nước cũng có khá nhiều
vạch hấp thụ, song chúng khơng mạnh lắm, đáng kể hơn cả là dải a
(0,685 - 0,730|im) và dải "mưa" (0,585 - 0,606ịim).
Sự hấp thụ bức xạ hồng ngoại của hơi nước có ý nghĩa to ỉớn hơn cả. Các dải
hấp thụ cơ bản trong quãng phổ này được đưa ra trong bảng 4.
Bảng 4: Các dải hấp thụ của hơi nước
Kí
hiệu

a

p

pơx

♦

0.72

0.82

0.93

1.13

Q

G)1

Íủ2

X

-

y

1.86

1.01

1.05

1.68

3.2-4

4-4.9

dải
Tâm
dải

1.38

Lượng bức xạ do hơi nước hấp thụ trong các dải này phụ thuộc vào lượng hoi
nước có trong khí quyển. Nhiều tác giả đã đưa ra các công thức thực nghiệm liên hệ
giữa hai đại lượng này. Một trong các công thức như vậy ỉà cơng thức Miuk và
Moller:
ÀS=0,172(mW0)0,303

(1.8)

Trong đó ÀS: giá tộ hấp thụ mật độ thơng lượng trực xạ tính ra cal/cm2phút,
m: khối lượng quang học khí quyển theo hướng đến mặt trời,

w0: lượng hơi nước trong cột khơng khí tiết diện đơn vị tính ra g/cm2.

18


Để thiết lập công thức trên, các tác giả đã coi ảnh hưởng của sự biến động các
chất hấp thụ khác (như ozon, C 02, 0 2,...) tới trực xạ là không đáng kể.
Sự hấp thụ bức xạ của hơi nước trong quãng phổ sóng dài hơn 4^m cũng đáng
được quan tâm. Các nghiên cứu cho thấy trong toàn bộ miền phổ từ 4 - 40|im, nãng
lượng bức xạ hầu như bị hơi nước hấp thụ hoàn toàn, trừ khoảng phổ từ 8 - 12jim.
Khoảng phổ từ 8 -12)im lại trùng với vùng phát xạ mạnh nhất của mặt đất và các lớp
khí quyển dưới thấp nên vào những đêm trời quang mây, trái đất "nguội" nhanh nhờ
thoát nhiệt (phát xạ) vào khơng gian vũ trụ trên dải sóng này. Do vậy, dải sóng này
cịn được gọi là cửa sổ của khí quyển.
Đối với xon khí: Vấn đề hấp thụ bức xạ của xon khí rất phức tạp, tuỳ thuộc
vào bản chất, kích thước, nồng độ. . . của các hạt xon khí và chưa được nghiên cứu
nhiều, song có thể thấy rằng khi lượng xon khí trong khí quyển tăng sẽ làm suy

giảm dòng trực xạ. Điều này đặc biệt thấy rõ khi quan trắc trực xạ tại các thành phố
cơng nghiệp nơi có nhiều bụi, giá trị trực xạ đo được thường nhỏ hơn so với vùng
xung quanh vài phần trăm. Ảnh hưởng của bụi còn thấy rõ khi có những vụ cháy
rừng hoặc ở vùng có núi lửa phun.
Các hạt nước lỏng hoặc bâng tuyết trong mây và sương mù cũng có các dải
hấp thụ như hofi nước, song ảnh hưởng lớn của chúng tới chế độ nhiệt của trái đất lại
chủ yếu do khả năng phản xạ và khuếch tán, chứ không phải do khả năng hấp thụ
bức xạ của chúng gây ra. Tính trung bình trên toàn trái đất, mây chỉ hấp thụ khoảng
3% (trong khi đó phản xạ tói 21%) nãng lượng bức xạ của mặt trời [2].
1.4.

Sự khuếch tán bức xạ trong khí quyển

Khuếch tán bức xạ là nhân tô quan trọng làm suy giảm bức xạ trong khí
quyển. Khuếch tán chỉ xảy ra trong trường hợp môi trường mà tia bức xạ đi qua là
bất đổng nhất về quang học. Đó là mơi trường có những phần tử "ngoại lai" với các
tính chất khác với tính chất của mơi trường xung quanh, hoặc mơi trường có thăng
giáng của mật độ.
Có thể sơ bộ giải thích bản chất của sự tán xạ như sau: dưới tác động của các
dao động của vectơ điện tử trong phần tử khuếch tán này sẽ thực hiện những dao
động cưỡng bức và phát sóng. Như vậy chính những phần tử khuếch tán đã trở thành

19


những nguồn phát sóng điện từ thứ cấp. Tập hợp các sóng điện từ này nói chung là
rất phức tạp, song nếu kích thước phần tử nhỏ hơn nhiều so với bước sóng tới thì tập
hợp này cố thể được xác định như dao động của một điện cực. Khi đố dao động
cưỡng bức trong phần tử khuếch tán sẽ có cùng tần số và bước sóng với bước sống
tới. Nếu sóng đầu phân cực thì sóng khuếch tán thứ hai cũng phân cực và độ chối

của nó sẽ khác nhau theo các hướng. Trong trường hợp kích thước phần tử tương
đương hoặc lớn hơn bước sóng tói, chứng ta phải dùng lập luận khác để giải thích.
Độ rọi và hướng khuyếch tán phụ thuộc vào tỷ số giữa kích thước phân tử
khuyếch tán và bước sóng của ánh sáng khuyếch tán. Nếu tỷ số này nhỏ, như trường
hợp các phân tử khơng khí và ánh sáng khuyếch tán, thì độ rọi khuyếch tán tỷ lệ vói
x~*. Đây là một trường hợp đặc biệt và được gọi là khuyếch tán Rayleigh-Cabannes.
Do bước sóng ngắn bị khuyếch tán hiệu quả hơn so với các bước sóng dài hơn, nên
trong một luồng sáng, ánh sáng xanh bị khuyếch tán nhiều hơn ánh sáng đỏ và vàng,
do đó, bầu trời có mầu xanh, còn khu vực gần mặt trời cố mầu đỏ. Linke đã tính
tốn sự truyền qua của búc xạ mặt trời trong khí quyển, bỏ qua sự hấp thụ và giả
thiết rằng khí quyển là trong suốt. Bảng sau đây cho ta giá trị mà Linke đã tính tốn
cho thí nghiêm của mình:

20


Bảng 5: Sự truyền bức xạ xuống bề mặt biển bỏ qua sự hấp thụ và khuyếch tán của

bụi (chỉ có khuyểch tán phân tử)
Bưóc sóng

Tỷ lệ truyền

(um)

(%)

0.30

31.6

0.35

55.1

0.40

71.2

0.45

81.2

0.50

87.4

0.55

91.3

0.60

93.8

0.65

95.5

0.70

96.6

0.75

97.4

Nếu kích thước phân tử khuyếch tán đủ lớn so với bước sóng, tình hình trở
nên phúc tạp. Do tỷ lệ giữa bán kính phân tử và bước sóng tãng, sự khuyếch tán
khơng cịn tỷ lệ vói X 4. Sự phụ thuộc của khuyếch tán vào bước sóng giảm, cho đến
khi kích thước phân tử đủ lớn thì khuyếch tán của phân tử khơng cịn phụ thuộc vào
bước sóng; kết luận này khá phù hợp khi trong thực tế ta quan sát thấy các giọt nước
trong mây và ánh sáng nhìn thấy, mây có màu trắng; nếu các hạt nước mây nhỏ hơn
đáng kể, nó sẽ có mầu xanh. Các phân tử khuyếch tán quan trọng trong khí quyển
gồm: các phân tử khí, các hạt nước và bụi.
Như vậy, sự khuếch tán bức xạ mặt trời chính là nguồn bức xạ tói mặt đất từ
mọi điểm trên vòm trời. Sau đây chúng ta sẽ xét kỹ hơn sự khuếch tán bức xạ trong
trường hợp phần tử khuếch tán có kích thước nhỏ hơn bước sóng tới và ngược lại.
1.5.

Cách tính bức xạ sóng ngắn trong khí quyển

Bây giờ ta xét năng lượng do các dịng bức xạ sóng ngắn đem tới mặt đất.
Sóng ngắn ở đây ta quan niệm những sóng nào có bước sóng Ằ< 4|im. Hầu hết năng
lượng mặt trời phát ra đều là sóng ngắn (99%). Năng lượng tồn phần đến một điểm
nào đó sau một khoảng thời gian nhất định (giờ, ngày, tháng, năm ...) được xác định

21