Giáo trình phân tích và hướng dẫn tìm hiểu về quy luật chiếu sáng của hành tinh phần 1 pot

21
quyóứn, tờnh õọỳi vồùi vồùi 1m
2
bóử mỷt õỷt vuọng goùc vồùi tia bổùc xaỷ, õổồỹc tờnh theo
cọng thổù :

qCT
DT
=

_
.(/ )
0
4
100

õỏy

DT
- hóỷ sọỳ goùc bổùc xaỷ giổợa traùi õỏỳt vaỡ mỷt trồỡi


DT
=
2
4/


- goùc nhỗn mỷt trồỡi vaỡ

32 nhổ hỗnh 2.2
C
0
= 5,67 W/m
2
.K
4
- hóỷ sọỳ bổùc xaỷ cuớa vỏỷt õen tuyóỷt õọỳi
T 5762
o
K -nhióỷt õọỹ bóử mỷt mỷt trồỡi (xem giọỳng vỏỷt õen tuyóỷt õọỳi)
Vỏỷy
4
2
100
5762
.67,5.
4
60.360
32.14,3.2

=q
1353 W/m
2


32'
149 500 000 km 1.7%
Mỷt trồỡi
Traùi õỏỳt
D = 1 390 000 km
D'= 12 700 km
Hỗnh 1.2 : Goùc nhỗn mỷt trồỡi

Do khoaớng caùch giổợa traùi õỏỳt vaỡ mỷt trồỡi thay õọứi theo muỡa trong nm
nón

cuợng thay õọứi do õoù q cuợng thay õọứi nhổng õọỹ thay õọứi naỡy khọng lồùn
lừm nón coù thóứ xem q laỡ khọng õọứi vaỡ õổồỹc goỹi laỡ hũng sọỳ mỷt trồỡi.
Khi truyóửn qua lồùp khờ quyóứn bao boỹc quanh traùi õỏỳt caùc chuỡm tia bổùc xaỷ
bở hỏỳp thuỷ vaỡ taùn xaỷ bồới tỏửng ọzọn, hồi nổồùc vaỡ buỷi trong khờ quyóứn, chố mọỹt
phỏửn nng lổồỹng õổồỹc truyóửn trổỷc tióỳp tồùi traùi õỏỳt. ỏửu tión ọxy phỏn tổớ bỗnh
thổồỡng O
2
phỏn ly thaỡnh ọxy nguyón tổớ O, õóứ phaù vồợ lión kóỳt phỏn tổớ õoù, cỏửn
phaới coù caùc photon bổồùc soùng ngừn hồn 0,18àm, do õoù caùc photon (xem bổùc xaỷ
nhổ caùc haỷt rồỡi raỷc - photon) coù nng lổồỹng nhổ vỏỷy bở hỏỳp thuỷ hoaỡn toaỡn. Chố
mọỹt phỏửn caùc nguyón tổớ ọxy kóỳt hồỹp thaỡnh caùc phỏn tổớ, coỡn õaỷi õa sọỳ caùc

Hỗnh 2.2. Goùc nhỗn mỷt trồỡi.
Giỏo trỡnh phõn tớch v hng dn tỡm hiu v
quy lut chiu sỏng ca hnh tinh


22
nguyón tổớ tổồng taùc vồùi caùc phỏn tổớ ọxy khaùc õóứ taỷo thaỡnh phỏn tổớ ọzọn O
3
,
ọzọn cuợng hỏỳp thuỷ bổùc xaỷ tổớ ngoaỷi nhổng vồùi mổùc õọỹ thỏỳp hồn so vồùi ọxy, dổồùi
taùc duỷng cuớa caùc photon vồùi bổồùc soùng ngừn hồn 0,32àm, sổỷ phỏn taùch O
3

thaỡnh O
2
vaỡ O xaớy ra. Nhổ vỏỷy hỏửu nhổ toaỡn bọỹ nng lổồỹng cuớa bổùc xaỷ tổớ ngoaỷi
õổồỹc sổớ duỷng õóứ duy trỗ quaù trỗnh phỏn ly vaỡ hồỹp nhỏỳt cuớa O, O
2
vaỡ O
3
, õoù laỡ
mọỹt quaù trỗnh ọứn õởnh. Do quaù trỗnh naỡy, khi õi qua khờ quyóứn, bổùc xaỷ tổớ ngoaỷi
bióỳn õọứi thaỡnh bổùc xaỷ vồùi nng lổồỹng nhoớ hồn.
1353 W/m2
1000 W/m2
Tia phaớn xaỷ
Bổùc xaỷ khuyóỳch taùn
Mỏỳt maùt do sổỷ hỏỳp thuỷ
Sổỷ phaớn xaỷ
Khờ

quyóứn
Bóử mỷt traùi õỏỳt
(Trồỡi quang õaợng)
Khoaớng khọng Vuợ truỷ




Caùc bổùc xaỷ vồùi bổồùc soùng ổùng vồùi caùc vuỡng nhỗn thỏỳy vaỡ vuỡng họửng
ngoaỷi cuớa phọứ tổồng taùc vồùi caùc phỏn tổớ khờ vaỡ caùc haỷt buỷi cuớa khọng khờ nhổng
khọng phaù vồợ caùc lión kóỳt cuớa chuùng, khi õoù caùc photon bở taùn xaỷ khaù õóửu theo
moỹi hổồùng vaỡ mọỹt sọỳ photon quay trồớ laỷi khọng gian vuợ truỷ. Bổùc xaỷ chởu daỷng
taùn xaỷ õoù chuớ yóỳu laỡ bổùc xaỷ coù bổồùc soùng ngừn nhỏỳt. Sau khi phaớn xaỷ tổỡ caùc
phỏửn khaùc nhau cuớa khờ quyóứn bổùc xaỷ taùn xaỷ õi õóỳn chuùng ta mang theo maỡu
Hỗnh 2.3. Quaù trỗnh truyóửn nng lổồỹng bổùc xaỷ mỷt trồỡi qua
lồùp khờ quyóứn cuớa traùi õỏỳt.



23
xanh lam cuớa bỏửu trồỡi trong saùng vaỡ coù thóứ quan saùt õổồỹc ồớ nhổợng õọỹ cao khọng
lồùn. Caùc gioỹt nổồùc cuợng taùn xaỷ rỏỳt maỷnh bổùc xaỷ mỷt trồỡi. Bổùc xaỷ mỷt trồỡi khi õi
qua khờ quyóứn coỡn gỷp mọỹt trồớ ngaỷi õaùng kóứ nổợa õoù laỡ do sổỷ hỏỳp thuỷ cuớa caùc
phỏửn tổớ hồi nổoùc, khờ cacbọnic vaỡ caùc hồỹp chỏỳt khaùc, mổùc õọỹ cuớa sổỷ hỏỳp thuỷ
naỡy phuỷ thuọỹc vaỡo bổồùc soùng, maỷnh nhỏỳt ồớ khoaớng giổợa vuỡng họửng ngoaỷi cuớa
phọứ.
Phỏửn nng lổồỹng bổùc xaỷ mỷt trồỡi truyóửn tồùi bóử mỷt traùi õỏỳt trong nhổợng
ngaỡy quang õaợng (khọng coù mỏy) ồớ thồỡ
i õióứm cao nhỏỳt vaỡo khoaớng 1000W/m
2

hỗnh 2.3.
Yóỳu tọỳ cồ baớn xaùc õởnh cổồỡng õọỹ cuớa bổùc xaỷ mỷt trồỡi ồớ mọỹt õióứm naỡo õoù
trón traùi õỏỳt laỡ quaợng õổồỡng noù õi qua. Sổỷ mỏỳt maùt nng lổồỹng trón quaợng
õổồỡng õoù gừn lióửn vồùi sổỷ taùn xaỷ, hỏỳp thuỷ bổùc xaỷ vaỡ phuỷ thuọỹc vaỡo thồỡi gian
trong ngaỡy, muỡa, vở trờ õởa lyù. Caùc muỡa hỗnh thaỡnh laỡ do sổỷ nghióng cuớa truỷc traùi
õỏỳt õọỳi vồùi mỷt phúng quyợ õaỷo cuớa noù quanh mỷt trồỡi gỏy ra. Goùc nghióng vaỡo
khoaớng 66,5
o
vaỡ thổỷc tóỳ xem nhổ khọng õọứi trong khọng gian. Sổỷ õởnh hổồùng
nhổ vỏỷy cuớa truỷc quay traùi õỏỳt trong chuyóứn õọỹng cuớa noù õọỳi vồùi mỷt trồỡi gỏy ra
nhổợng sổỷ dao õọỹng quan troỹng vóử õọỹ daỡi ngaỡy vaỡ õóm trong nm.
Phỏn bọỳ cổồỡng õọỹ bổùc xaỷ õồn saùc E
0

() cuớa mỷt trồỡi õổồỹc xaùc õởnh theo
õởnh luỏỷt Planck, coù daỷng:

e
C
E
T
C
1
2
5
1
0
.

=




Dióỷn tờch phờa dổồùi
õổồỡng cong seợ mọ taớ
cổồỡng õọỹ bổùc xaỷ toaỡn
phỏửn E
0
cuớa Mỷt trồỡi.
Phỏửn cọng suỏỳt mang tia
saùng (AS) thỏỳy õổồỹc laỡ:


E
AS
=


==


0
00
10.8,0
10.4,0
0
5,0)(5,0)(
6

6
EdEdE



E
0

õaỷt cổc trở taỷi
m
= 2,98.10
-3
/T
0
= 0,5àm vaỡ
E
0

max
= E
0

(
m
,T
0
) = 8,3.10
13
W/m
3

Cổồỡng õọỹ bổùc xaỷ toaỡn phỏửn: E
0
=
0
.T
0
4
= 6,25.10
7
W/m
2

Cọng suỏỳt bổùc xaỷ toaỡn phỏửn cuớa Mỷt trồỡi:
Q
0
= E
0
.F = .D
2
.
0
.T
0
4
= 3,8.10
26
W.
Cọng suỏỳt naỡy bũng 4.10
13

lỏửn tọứng cọng suỏỳt õióỷn toaỡn thóỳ giồùi hióỷn nay, vaỡo
khoaớg P = 10
13
W.

E
o



W/m

TN
AS HN
VT

83
80
60
40
20
0
0,02
0,4
0,5 0,8
400

50%E
o
E

o


à

H.8 - Phỏn bọỳ
E
(

) cuớa Mỷt
trồỡi
o

Hỗnh 2.4. Phỏn bọỳ E
0

() cuớa mỷt trồỡi


24
2.2. Phơng pháp tính toán năng lợng bức xạ mặt trời
Cổồỡng õọỹ bổùc xaỷ mỷt trồỡi trón mỷt õỏỳt chuớ yóỳu phuỷ thuọỹc 2 yóỳu tọỳ: goùc
nghióng cuớa caùc tia saùng õọỳi vồùi mỷt phúng bóử mỷt taỷi õióứm õaợ cho vaỡ õọỹ daỡi
õổồỡng õi cuớa caùc tia saùng trong khờ quyóứn hay noùi chung laỡ phuỷ thuọỹc vaỡo õọỹ
cao cuớa mỷt trồỡi (Goùc giổợa phổồng tổỡ õióứm quan saùt õóỳn mỷt trồỡi vaỡ mỷt phúng
nũm ngang õi qua õióứm õoù). Yếu tố cơ bản xác định cờng độ của bức xạ mặt
trời ở một điểm nào đó trên trái đất là quãng đờng nó đi qua. Sự mất mát năng
lợng trên quãng đờng đó gắn liền với sự tán xạ, hấp thụ bức xạ và phụ thuộc
vào thời gian trong ngày, mùa, vị trí địa lý.
Quan hệ giữa bức xạ mặt trời ngoài khí quyển và thời gian trong năm có

thể xác định theo phơng trình sau:
E
ng
= E
o
(1+0, 033cos
365
360n
), W/m
2

trong đó, E
ng
là bức xạ ngoài khí quyển đợc đo trên mặt phẳng vuông góc với
tia bức xạ vào ngày thứ n trong năm.
2.2.1. Tính toán góc tới của bức xạ trực xạ
Trong quá trình tính toán cần định nghĩa một số khái niệm nh sau:
- Hệ số khối không khí: m, là tỷ số giữa khối lợng khí quyển theo phơng tia
bức xạ truyền qua và khối lợng khí quyển theo phơng thẳng đứng (tức là khi
mặt trời ở thiên đỉnh). Nh vậy m =1 khi mặt trời ở thiên đỉnh, m =2 khi góc
thiên đỉnh
z
là 60
0
. Đối với các góc thiên đỉnh từ 0-70
0
có thể xác định gần
đúng m =1/cos
z
. Còn đối với các góc

z
>70
0
thì độ cong của bề mặt trái đất
phải đợc đa vào tính toán. Riêng đối với trờng hợp tính toán bức xạ mặt trời
ngoài khí quyển m =0.
- Trực xạ: là bức xạ mặt trời nhận đợc khi không bị bầu khí quyển phát tán.
Đây là dòng bức xạ có hớng và có thể thu đợc ở các bộ thu kiểu tập trung
(hội tụ).
- Tán xạ: là bức xạ mặt trời nhận đợc sau khi hớng của nó đã bị thay đổi do
sự phát tán của bầu khí quyển (trong một số tài liệu khí tợng, tán xạ còn đợc
gọi là bức xạ của bầu trời, ở đây cần phân biệt tán xạ của mặt trời với bức xạ
hồng ngoại của bầu khí quyển phát ra).
- Tổng xạ: là tổng của trực xạ và tán xạ trên một bề mặt (phổ biến nhất là tổng
xạ trên một bề mặt nằm ngang, thờng gọi là bức xạ cầu trên bề mặt).


25
- Cờng độ bức xạ (W/m
2
): là cờng độ năng lợng bức xạ mặt trời đến một bề
mặt tơng ứng với một đơn vị diện tích của bề mặt. Cờng độ bức xạ cũng bao
gồm cờng độ bức xạ trực xạ E
trx
, cờng độ bức xạ tán xạ E
tx
và cờng độ bức
xạ quang phổ E
qp
.

- Năng lợng bức xạ (J/m
2
: là năng lợng bức xạ mặt trời truyền tới một đơn vị
diện tích bề mặt trong một khoảng thời gian, nh vậy năng lợng bức xạ là một
đại lợng bằng tích phân của cờng độ bức xạ trong một khoảng thời gian nhất
định (thờng là 1 giờ hay 1 ngày).
- Giờ mặt trờ : là thời gian dựa trên chuyển động biểu kiến của mặt trời trên bầu
trời, với quy ớc giờ mặt trời chính ngọ là thời điểm mặt trời đi qua thiên đỉnh
của ngời quan sát. Giờ mặt trời là thời gian đợc sử dụng trong mọi quan hệ về
góc mặt trời, nó không đồng nghĩa với giờ theo đồng hồ.
Quan hệ hình học giữa một mặt phẳng bố trí bất kỳ trên mặt đất và bức
xạ của mặt trời truyền tới, tức là vị trí của mặt trời so với mặt phẳng đó có thể
đợc xác định theo các góc đặc trng sau (hình 2.5):
- Góc vĩ độ

: vị trí góc tơng ứng với vĩ độ về phía bắc hoặc về phía nam
đờng xích đạo trái đất, với hớng phía bắc là hớng dơng.
- 90
0
90
0

- Góc nghiêng

: góc giữa mặt phẳng của bề mặt tính toán và phơng nằm
ngang.
0 180
0

( > 90

0
nghĩa là bề mặt nhận bức xạ hớng xuống phía dới).
- Góc phơng vị của bề mặt

: góc lệch của hình chiếu pháp tuyến bề mặt trên
mặt phẳng nằm ngang so với đờng kinh tuyến. Góc = 0 nếu bề mặt quay về
hớng chính nam, lấy dấu (+) nếu bề mặt quay về phía tây và lấy dấu (-) nếu
bề mặt quay về phía đông.
-180
0
180
0



26

- Góc giờ

: góc chuyển động của vị trí mặt trời về phía đông hoặc phía tây của
kinh tuyến địa phơng do quá trình quay của trái đất quanh trục của nó và lấy
giá trị 15
0
cho 1 giờ đồng hồ, buổi sáng lấy dấu (-), buổi chiều lấy dấu (+).
- Góc tới

: góc giữa tia bức xạ truyền tới bề mặt và pháp tuyến của bề mặt đó.
- Góc thiên đỉnh

z

: góc giữa phơng thẳng đứng (thiên đỉnh) và tia bức xạ tới.
Trong trờng hợp bề mặt nằm ngang thì góc thiên đỉnh chính là góc tới .
- Góc cao mặt trời


: góc giữa phơng nằm ngang và tia bức xạ truyền tới, tức
là góc phụ của góc thiên đỉnh.
- Góc phơng vị mặt trời

s
: góc lệch so với phơng nam của hình chiếu tia bức
xạ mặt trời truyền tới trên mặt phẳng nằm ngang. Góc này lấy dấu âm (-) nếu
hình chiếu lệch về phía đông và lấy dấu dơng (+) nếu hình chiếu lệch về phía
tây.
- Góc lệch

: vị trí góc của mặt trời tơng ứng với giờ mặt trời là 12 giờ (tức là
khi mặt trời đi qua kinh tuyến địa phơng) so với mặt phẳng của xích đạo trái
đất, với hớng phía bắc là hớng dơng.
-23,45
0
23,45
0

Mặt
trời

z
z
z

N
B
Đ
T
Thiên
đỉnh
Pháp tuyến từ mặt
phẳng nằm ngang


Hình 2.5. Quan hệ các góc hình học của tia bức xạ mặt trời trên mặt phẳng nghiêng


27
Góc lệch có thể tính toán theo phơng trình của Cooper:
= 23,45.sin(360
365
284 n
+
)
trong đó n là thứ tự ngày của 1 năm .
Quan hệ giữa các loại góc đặc trng ở trên có thể biểu diễn bằng phơng
trình giữa góc tới và các góc khác nh sau:
cos = sin.sin. cos - sin.cos. sin.cos + cos.cos.cos.cos +
+ cos.sin.sin.cos.cos + cos.sin.sin.sin
và: cos = cos

z
.cos + sin
z
.sin.cos(
s
- )
Đối với bề mặt nằm ngang góc tới chính là góc thiên đỉnh của mặt trời
z
, giá
trị của nó phải nằm trong khoảng 0
0
và 90
0
từ khi mặt trời mọc đến khi mặt trời
ở thiên đỉnh ( = 0):
cos
z
= cos.cos.cos + sin.sin

2.2.2. Bức xạ mặt trời ngoài khí quyển lên mặt phẳng nằm ngang:
Tại thời điểm bất kỳ, bức xạ mặt trời đến một bề mặt nằm ngang ngoài
khí quyển đợc xác định theo phơng trình:

zongo
n
EE

cos.
365
.360

cos.033.01
.






+=



Thay giá trị cos
z
vào phơng trình trên ta có E
o.ng
tại thời điểm bất kỳ từ lúc
mặt trời mọc đến lúc mặt trời lặn:
()

sin.sincos.cos.cos
365
360
cos.033.01
.
+

+=
n
EE
ongo

Tích phân phơng trình này theo thời gian từ khi mặt trời mọc đến khi
mặt trời lặn (6h đến 18h mặt trời) ta sẽ đợc E
o. ngay
là năng lợng bức xạ mặt
trời trên mặt phẳng nằm ngang trong một ngày:






+






+=

sin.sin
180
sin.cos.cos
365
360
cos.033.01
3600.24
.
s
s
o
ngayo
n
E
E
với
s
là góc giờ mặt trời lặn (
0
) (tức là góc giờ khi
z
= 90
0
)





tgtg

s
.
cos.cos
sin.sin
cos ==



28
Ngời ta cũng xác định năng lợng bức xạ ngày trung bình tháng E
oth

bằng cách thay giá trị n và trong các công thức trên lấy bằng giá trị ngày
trung bình của tháng và độ lệch tơng ứng.
Năng lợng bức xạ trên mặt phẳng nằm ngang trong một giờ nhất định
có thể xác định khi phân tích phơng trình 1.9 trong khoảng thời gian giữa các
góc giờ
1
và
2
:
()
()

+






+=




sin.sin
180
sinsincos.cos
365
360
033.01
3600112
12
21.
n
E
x
E
ogioo

2.2.3. Tổng cờng độ bức xạ mặt trời lên bề mặt trên trái đất
Tổng bức xạ mặt trời lên một bề mặt đặt trên mặt đất bao gồm hai phần
chính đó là trực xạ và tán xạ. Phần trực xạ đã đựơc khảo sát ở trên, còn thành

phần tán xạ thì khá phức tạp. Hớng của bức xạ khuếch tán truyền tới bề mặt là
hàm số của độ mây và độ trong suốt của khí quyển, các đại lợng này lại thay
đổi khá nhiều. Có thể xem bức xạ tán xạ là tổng hợp của 3 thành phần (hình
2.6).
- Thành phần tán xạ đẳng hớng: phần tán xạ nhận đợc đồng đều từ toàn bộ
vòm trời.
- Thành phần tán xạ quanh tia: phần tán xạ bị phát tán của bức xạ mặt trời xung
quanh tia mặt trời.
- Thành phần tán xạ chân trời: phần tán xạ tập trung gần đờng chân trời.


29
Góc khuếch tán ở mức độ nhất định phụ thuộc độ phản xạ R
g
(còn gọi là albedo
-suất phân chiếu) của mặt đất. Những bề mặt có độ phản xạ cao (ví dụ bề mặt
tuyết xốp có R
g
= 0,7) sẽ phản xạ mạnh bức xạ mặt trời trở lại bầu trời và lần
lợt bị phát tán trở thành thành phần tán xạ chân trời.
Nh vậy bức xạ mặt trời truyền đến một bề mặt nghiêng là tổng của các
dòng bức xạ bao gồm: trực xạ E
b
, 3 thành phần tán xạ E
d1
, E
d2
, E
d3
và bức xạ

phản xạ từ các bề mặt khác lân cận E
r
:
E

= E
b
+ E
d1
+ E
d2
+ E
d3
+ E
r

Tuy nhiên việc tính toán các đại lợng tán xạ này rất phức tạp. Vì vậy
ngời ta giả thiết là sự kết hợp của bức xạ khuếch tán và bức xạ phản xạ của
mặt đất là đẳng hớng, nghĩa là tổng của bức xạ khuếch tán từ bầu trời và bức
xạ phản xạ của mặt đất là nh nhau trong mọi trờng hợp không phụ thuộc
hớng của bề mặt. Nh vậy tổng xạ trên bề mặt nghiêng sẽ là tổng của trực xạ
E
b
.B
b
và tán xạ trên mặt nằm ngang E
d
.
Khi đó một bề mặt nghiêng tạo một góc so với phơng nằm ngang sẽ
có tổng xạ bằng tổng của 3 thành phần:

+






+
+=

2
cos1
.
2
cos1


gdbb
REEBEE
thành phần tán
xạ đẳng huớng
thành phần tán

xạ chân trời
thành phần tán
xạ quanh tia
Tia trực xạ

Hình 2.6. Sơ đồ phân bố các thành phần bức xạ khuếch tán.


30
Trong đó : E

là tổng xạ trên bề mặt nằm ngang,
(1 + cos)/2 = F
cs
là hệ số góc của bề mặt đối với bầu trời
(1 - cos)/2 = F
cg
là hệ số góc của bề mặt đối với mặt đất
R
g
là hệ số phản xạ bức xạ của môi trờng xung quanh.
Và ta có tỷ số bức xạ B
b
của bề mặt nghiêng góc so với bề mặt ngang:

zzn
n
bng
n
b

E
E
E
E
B




cos
cos
cos.
cos.
===

E
n
là cờng độ bức xạ mặt trời tới theo phơng bất kỳ,
E
bng
là bức xạ mặt trời theo phơng vuông góc với mặt nằm ngang,
E
bngh
là bức xạ mặt trời theo phơng vuông góc với mặt phẳng nghiêng,
cos và cos
z
đợc xác định bởi các phơng trình trên và các góc đợc
biểu diễn trên hình 2.8.

Tán xạ
đẵng
huớng
Tán xạ
chân trời
Tán xạ
quanh tia
Tia trực xạ
Mặt đất
Phản xạ từ mặt đất


Hình 2.7. Các thành phần bức xạ lên bề mặt nghiêng.


z
E
bng
E
n


E
bngh

n
E
Hình 2.8. Bức xạ trực xạ trên bề mặt nằm n
g
an
g
và n
g
hiên
g
.