Luận văn ứng dụng mạng thần kinh nhân tạo dự báo một số yếu tố khí tượng cho khu vực đồng bằng phía bắc việt nam

Mục lục
M c l cụ ụ 1
M uở đầ 2
Ch ng 1: t ng quanươ ổ 5
1.1 Tình hình nghiên c u v ng d ng m ng TKNTứ à ứ ụ ạ 5
1.2. Các c tr ng v t lý c b n c a b c xđặ ư ậ ơ ả ủ ứ ạ 8
1.3. S h p th b c x trong khí quy nự ấ ụ ứ ạ ể 16
1.4. S khu ch tán b c x trong khí quy nự ế ứ ạ ể 21
1.5. Cách tính b c x sóng ng n trong khí quy nứ ạ ắ ể 23
1.6. Ch nhi t v b c x khu v c ng b ng phía b cế độ ệ à ứ ạ ở ự đồ ằ ắ 30
Ch ng 2: c s lý thuy t m ng th n kinh nhân t o (TKNT)ươ ơ ở ế ạ ầ ạ 34
2.1. Các khái ni m c b n v m ng th n kinh nhân t oệ ơ ả ề ạ ầ ạ 34
2.2. Các quy t c v ph ng pháp xây d ng m ng TKNTắ à ươ ự ạ 44
2.3. Các lo i m ng TKNT v ng d ngạ ạ à ứ ụ 54
Ch ng 3: ng d ng m ng tknt d báo m t s y u t khí ươ ứ ụ ạ ự ộ ố ế ố
t ng cho khu v c ng b ng phía b c vi t namượ ự đồ ằ ắ ệ 66
3.1.Gi i thi u ph n m m NeuroSolutionsớ ệ ầ ề 67
3.2.M t s k thu t ph trộ ố ỹ ậ ụ ợ 70
3.3. Các ch s ánh giá, so sánhỉ ố đ 71
3.4. K t quế ả 73
K t lu nế ậ 91
Tài li u tham kh oệ ả 94
1
Mở đầu
Bức xạ Mặt trời là nguồn năng lượng chủ yếu và vô cùng quý giá đối với trái
đất. Nó quyết định đến sự biến đổi khí hậu, sự sống của con người. Chính điều đó
đòi 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.P.Jacovide đã nhận xét: “Với sự gia tăng ứng
dụng của phổ bức xạ như: Pin Mặt Trời, 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
nông nghiệp, trong công nghiệp chiếu sáng và năng lượng nhiệt cho các công 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 môi trường do tiêu thụ khí ga, xăng,
dầu ; sự lo ngại về mức tăng khí CO và CO2 trong khí quyển có thể dẫn đến phá
hủy tầng ozon và sự sống trên trái đất; viễn cảnh về sự thiếu hụt dầu 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 công nghiệp mới, các nước có nền kinh tế phát triển, sự thiếu
hụt nguồn nước đối với các công 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 năng lượng dầu mỏ đang được khai thác
2
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 trời hiện nay là giá thành của nó còn quá
đắt, tính chất dao động mạnh phụ thuộc vào điều kiện thời tiết. Tuy nhiên đó sẽ
không 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 mô hình khí hậu ngày nay đã làm được.
Gần đây nhất, tác giả Ricardo A. Guarnieri và cộng sự [24] đã sử dụng mạng TKNT

điều chỉnh kết quả dự báo bức xạ mặt trời của mô hình quy mô 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 mô hình (sai số của mô hình giảm 20 – 30%).
Cùng với bức xạ, nhiệt độ tối cao là một trong các yếu tố khí tượng từ lâu ít
được quan tâm đúng mức. Nhiệt độ tối cao đặc biệt có ý nghĩa đối với sản xuất
nông nghiệp, ngành xây dựng, và tất nhiên là trong khoa học khí tượng, đặc biệt
là trong những tháng mùa hè.
Trong tập luận văn này, để xây dựng mạng TKNT dự báo hai yếu tố khí
tượng là tổng xạ và nhiệt độ tối cao, tôi sử dụng số liệu quan trắc của các yếu tố:
Bức xạ tổng cộng (Tổng xạ), nhiệt độ tối cao của 4 trạm: Láng (Hà Nội), Phủ Liễn
(Hải Phòng), Yên Định (Thanh Hóa) và Vinh (Nghệ An) trong vòng 10 năm (1981 -
1990) kết hợp với 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, nhiệt
độ tối cao, độ ẩm tuyệt đối tầng 1000mb, độ ẩm tương đối bề mặt, lượng mây trung
bình ngày, tổng lượng nước khả giáng trong cột khí quyển, các thành phần gió bề
mặt, độ dày lớp khí quyển giữa các mực 1000, 850 và 500mb,
Ngoài phần mở đầu, kết luận, tài liệu tham khảo, luận văn gồm 3 chương:
Chương I: Tổng quan
Chương II: Cơ sở lý thuyết về mạng TKNT
3
Chương III: ứng dụng mạng TKNT dự báo một số yếu tố khí tượng
cho khu vực đồng bằng phía Bắc Việt Nam.
4
Chương 1: tổng quan
1.1 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng mạng TKNT
Các công nghệ 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 đòi hỏi phải có các công cụ xử lý, tính toán phi tuyến,
trong số các công 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 hiện nhiều ưu điểm trên nhiều
lĩnh vực nhờ vào khả năng liên kết giữa các lớp, các phần tử hoạt động
1
trong 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 toán Hebb, mạng TKNT chính thức ra đời và khẳng định khả năng tính
toán 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 – ADALINE
2
và nơron thích
ứng tuyến tính đa biến - MADALINE
3
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 làm thất vọng nhiều nhà khoa học, đặc biệt là các nhà
khoa học trong ngành khoa học tính toán lúc bấy giờ. Chính những công bố này đã
làm chậm tiến trình phát triển của mạng TKNT gần 20 năm. Mãi đến những năm
80, mạng TKNT mới có được những thành tựu đáng chú ý mới. Đó là công trình
của Hopfield [16] với cách tiếp cận dưới khía cạnh năng lượng và thuật toán học
1
Processing Elements
2
ADAptive LInear Neuron
3

Multiple ADALINE
5
lan truyền ngược cho mạng nhận thức đa lớp. Nhiều người nhắc đến công trình này
của Hopfield như một sự khởi đầu thứ hai cho mạng TKNT. Sau đó công 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 với 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 mô hình số, tái tạo và bổ xung số liệu, tính
toán 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 luận văn này, tôi cũng cố gắng đưa ra một cách phân loại phổ
biến nhất mà đã được nhiều tác giả trình bày. Sự phân loại ở đây chỉ áp dụng cho
các thuật toán và các phương pháp học phổ biến được dùng trong mạng TKNT, có
thể còn nhiều thuật toán cũng như phương pháp khác nhưng do không được sử dụng
rộng rãi nên cũng không được đưa vào phân loại trong luận văn này.
Bảng 1: Phân loại mạng TKNT và ứng dụng [21]
ứng dụng Thuật toán Học có điều kiện Học không điều kiện
Phát hiện
mối liên hệ
Hopfield (Zurada, 1992; Haykin,
1994)
- Hebbian (Zuruda, 1992;
Haykin, 1994; Kung,
1993)
Nhận thức đa lớp (Zuruda, 1992;
Carling, 1992; Haykin, 1994;
Bishop, 1995; Patterson, 1996)
Lan truyền ngược

(Zuruda, 1992; Haykin,
1994; Bishop, 1995;)
-
Phân loại,
nhận dạng
Nhận thức đa lớp (Zuruda, 1992;
Carling, 1992; Haykin, 1994;
Bishop, 1995)
Các hàm xuyên tâm cơ sở (Zuruda,
1992; Bishop, 1995)
Lan truyền ngược
Bình phương tối thiểu
-
Trung bình k phần tử
(Bishop, 1995)
6
Bảng 1: Phân loại mạng TKNT và ứng dụng (tiếp)
Phân tích
đặc trưng
Nhân tố cạnh tranh (Zurada, 1992;
Haykin, 1994)
Kohenen (Zurada, 1992; Haykin,
1994)
Nhận thức đa lớp (Kung, 1993)
Phân tích thành phần đặc trưng
(Zurada, 1992; Kung, 1993)
-
-
Lan truyền ngược
-

Nhân tố cạnh tranh
(competitive)
Kohenen
-
Thuật toán Oja (Zurada,
1992; Kung, 1993)
Dự báo
Mạng thời gian trễ (Zurada, 1992;
Kung, 1993, de Vries và Principe,
1992)
Mạng truy hồi toàn phần (Zurada,
1992)
Lan truyền ngược theo
thời gian (BPTT)
-
Tính đến nay, trên thế giới đã có rất nhiều công trình nghiên cứu ứng dụng
mạng TKNT được công bố trên các tạp chí, gần đây nhất là vào tháng 4 năm 2006,
Ricardo A. Guarnieri cùng đồng nghiệp [24] đã sử dụng mạng TKNT hiệu chỉnh dự
báo tổng xạ của mô 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 công cụ nội suy trường khí tượng về trạm thay cho
các phương pháp nội suy truyền thống và nhiều công trình nghiên cứu chuyên 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], Pattrick 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 Hướng Điền và cộng sự cũng đã có nhiều
công trình nghiên cứu ứng dụng mạng TKNT trong dự báo khí tượng thủy văn [3,

4]. Tất cả các công trình trên đều có chung kết luận: Mạng TKNT đã cải thiện đáng
kể kết quả dự báo so với các phương pháp khác.
7
1.2. Các đặc trưng vật lý cơ bản của bức xạ
a. 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 kim loại bên kia.
Năng 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 không chỉ bao gồm vận
chuyển năng lượng theo chiều thẳng đứng khi lớp không khí hoặc chất lỏng bên
dưới bị đốt nóng mà nó còn là sự khuyếch tán rối và bình lưu nhiệt theo mọi hướng.
Và cuối cùng, năng lượng còn có thể được truyền từ vật thể này sang vật thể
khác nhờ các sóng điện từ có hoặc không 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 không.
c ≈ 3.00x10
10
cm/s
Bức xạ được đặc trưng bởi bước sóng, λ, là khoảng cách giữa hai đỉnh sóng
liên tiếp; hoặc bởi tần số, ν, là số đỉnh sóng đi qua một điểm cố định trong một đơn
vị thời gian. Rõ ràng rằng:
λ.ν = c
Chi tiết về các loại sóng và bước sóng trong không 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),
8
thể tích 1,41.10
18
km
3
,

khối lượng khoảng 1.10
30
kg (gấp hơn 330 000 lần trái đất).
Trái đất quay xung quanh mặt trời theo một quĩ đạo elíp gần tròn (mặt trời ở một
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 triệu km (ánh sáng truyền mất hơn 8 phút). Mặt trời bức xạ liên tục
lượng bức xạ khổng lồ ra xung quanh. Lượng bức xạ mặt trời lớn tới mức có thể
làm tan và bốc thành hơi một vỏ nước đá dầy 12m bọc quanh nó trong vòng 1 phút.
Tuy nhiên, khí quyển trái đất chỉ hứng được một phần 2 tỷ lượng bức xạ của mặt
trời. Tuy vậy, lượng bức xạ này cũng rất lớn, vào khoảng 1,5.10
28
J mỗi ngày [2].
Bức xạ mặt trời trên đường tới trái đất bị nhiều tác dụng làm suy yếu cho nên
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 vô tuyến.
Bảng 2: Các loại bức xạ và bước sóng trong không gian
Loại bức xạ Bước sóng
Tia γ có bước sóng trong chân không λ < 10
-5

µm
Tia Rơnghen (X)
10
-5
≤ λ < 10
-2
µm
Tia cực tím
10
-2
≤ λ <0,38 µm
ánh sáng nhìn thấy
0,38 ≤ λ < 0,76 µm
Tia hồng ngoại
0,76 ≤ λ < 3000 µm
Sóng vô tuyến
có λ ≥ 3000 µm
Những 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 tới một đơn vị diện tích trong một đơn vị
thời 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
0
K. Mặt khác,
chúng ta cũng có thể do bức xạ như là một hàm của bước sóng, ứng với năng lượng
9
phát xạ cực đại, và tính toán nhiệt độ vật đen từ định luật Wien1. Bức xạ cực đại là
0.4740µm, tương ứng với nhiệt độ 6108
0
K. Hiển nhiên mặt trời không phải là vật

đen tuyệt đối vì hai nhiệt độ này không thống nhất với nhau. Sự khác biệt này là do
sự hấp thụ sóng ngắn của lớp “khí” phía ngoài mặt trời (sự hấp thụ này không ảnh
hưởng đến phát xạ cực đại - 0.4740µm nhưng lại ảnh hưởng đến năng lượng rọi tới
trái đất). Tuy nhiên, gần đúng vật đen tuyệt đối của mặt trời 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 biệt là C. G. Abbot thực
hiện từ nhiều năm trước đây. Sự thay đổi khoảng cách giữa mặt trời và trái đất trong
năm có thể dễ dàng được đưa vào tính toán, 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 đồng nghiệp đưa ra là:
∫
=
∞
z
dzk
z
eSS
θρ
λλ
λ
cos
0
trong đó, S
λ
z
là độ rọi bức xạ mặt trời đơn sắc tại mực z
S
λ
0

là độ rọi bức xạ mặt trời đơn sắc tại giới hạn trên của khí quyển
k
λ
là hệ số suy yếu khối đơn sắc
ρ là mật độ không khí
θ là góc thiên đỉnh của mặt trời
Và giá trị này được Abbot tính toán ra là khoảng 1.00 cal/cm
2
/phút (1cal/cm
2
còn được gọi là 1 langley, ký hiệu là ly) đối với mặt phẳng vuông 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 trời.
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 S
o
= 1367 W/m2 = 1.968 cal/cm2/phút.
10
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 dòng 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 không đáng kể. Khi truyền trong khí quyển, do
tính bất đồng nhất về mặt quang học, về trạng thái lý hoá của khí quyển, bức xạ mặt
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.

Bức 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 nhiều 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, phần 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 nóng, 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 phần hướng về mặt đất, phần này gọi
là bức xạ nghịch của khí quyển.
Các dòng 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 µm. Do
sự khác biệt này mà bức xạ mặt trời được gọi là bức xạ sóng ngắn còn bức xạ mặt
đất và khí quyển gọi là bức xạ sóng dài.
11
Như vậy, trong khí quyển luôn 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.
d. Sự phân bố của bức xạ mặt trời theo vĩ độ
Nếu không 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:
o
2
o
sinh
R
S
'S
=
(1.1)
trong đó S
O
là hằng số mặt trời,
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
, còn h
O
là độ cao mặt trời trên chân trời (xem
hình 1) tại thời điểm đang xét (Tỷ số S
O
/R
2
cho ta độ rọi bức xạ mặt trời tới mặt
vuông góc với các tia mặt trời ở thời điểm đang xét).
h
o
Hình 1: Để tính trực xạ trên mặt
ngang
12

Độ cao mặt trời tại mỗi điểm phụ thuộc vào vĩ độ địa lý ϕ, thời gian trong
năm và trong ngày. Trong thiên văn học người ta đã chứng minh được công thức:
sinh
O
=sinϕsinδ+cosϕcosδcosω (1.2)
trong đó δ là xích vĩ (“vĩ độ” của mặt trời), thay đổi theo thời gian trong năm giữa
hai giá trị ±23
0
27', còn ω là góc giờ mặt trời,
τ
π
=ω
t2
với τ là chu kỳ quay của trái
đất quanh trục của nó (≈ 24 giờ), còn t là thời điểm trong ngày (theo giờ thực ứng
với kinh độ địa phương) tính mốc lúc giữa trưa. Thay (1.2) vào (1.1) ta được:
)coscoscossin(sin'
2
ωδϕδϕ
+=
R
S
S
o
(1.3)
Biểu thức trên cho phép ta tính được lượng nhiệt từ mặt trời đến mỗi đơn vị
diện tích mặt đất ở các vị trí có vĩ độ ϕ khác nhau trong một khoảng thời gian nào
đó (tức độ phơi bức xạ trong khoảng thời gian đó). Chẳng hạn, ta có thể xét độ phơi
bức xạ trong một ngày đêm, tại một điểm đã cho, lượng 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

h
o
=0, tức là sinh
o
=0 nên:
0
2
coscoscossinsin
=






+
τ
π
δϕδϕ
o
t
δϕ
δϕ
δϕ
τ
π
tgtg
t
o
−=−=







coscos
sinsin
2
cos
(1.4)
)arccos(
2
δϕ
π
τ
tgtgt
o
−=±⇒
(1.5)
(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:
∫∫
−−







+==
o
o
o
o
t
t
o
t
t
R
dtt
SdtSH
2
2
coscoscossinsin'
τ
π
δϕδϕ
(1.6a)
13
Trong một ngày đêm R và δ biến đổi không đáng kể nên:







+=
τ
π
δϕ
π
τ
δϕ
o
o
o
t
t
R
S
H
2
sincoscos
2
sinsin
2
2
(1.6b)
Vì t
o
được xác định theo công thức (1.5) nên H chỉ phụ thuộc vào vĩ độ địa lý
ϕ và thời gian trong năm. Do đó nó biểu thị quy luật phân bố của bức xạ mặt trời
theo vĩ độ và thời gian trong năm trong điều kiện không có khí quyển.
Từ (1.1) và (1.2) ta thấy độ rọi đạt giá trị lớn nhất tại thời điểm t = 0 (lúc giữa
trưa) tại nơi thoả mãn điều kiện:
sinϕsinδ + cosϕcosδ = cos(ϕ-δ) = 1 (1.7)

tức là tại lúc giữa trưa ngày mặt trời qua thiên đỉnh (ϕ=δ), còn độ rọi sẽ nhỏ nhất,
E=0, tại thời điểm mặt trời mọc và lặn (h
O
=0).
Các kết quả tính theo công thức (1.6b) đối với các vĩ độ khác nhau ở Bắc bán
cầu vào các ngày hạ chí và đông chí (δ=±23,45
0
) được đưa ra trong bảng 3.
Bảng 3: Độ phơi bức xạ mặt trời H (MJ/m
2
ngày đêm) tới mặt đất trong trường hợp
không có khí quyển ở một số vĩ độ thuộc bán cầu Bắc
Vĩ độ
ngày
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
Hạ
chí(22/6)
33.38 36.91 39.53 41.20 41.19 41.83 41.38 41.77 41.82 45.52
Đông
chí(22/12)
35.64 31.00 25.59 19.68 13.41 7.42 1.09 0 0 0
Trên hình 2 trình bày
biến trình năm của H ở một
số vĩ độ khác nhau, tính theo
công thức (1.6b).
14
Hình 2: Biến trình năm của bức xạ ở một số vĩ độ
Từ hình này ta thấy rằng ở gần xích đạo (đến vĩ độ ±23,45
0
) độ phơi (hoặc

nhập nhiệt) sau ngày đêm có biến trình kép thể hiện hai cực tiểu vào ngày đông chí
và hạ chí. ở giữa xích đạo 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 hơn, tới 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 đông chí. ở vùng vĩ độ cao xung quanh
vòng cực (ϕ>66,55
0
) có một thời gian dài trong năm không có bức xạ tới, nhưng
thời gian giữa mùa hè có 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 về thời gian lệch đi 6 tháng so
với bán cầu Bắc. Thêm vào đó, do quỹ đạo trái đất quanh mặt trời có dạng elíp và
lúc trái đất xa mặt trời nhất lại vào ngày mùng 5 tháng 7, gần ngày đông chí ở bán
cầu 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 tới lại càng tăng mạnh. Sự tăng, giảm bức xạ do khoảng cách mặt trời - trái đất
thay đổi trong một năm chỉ vào khoảng ±3% so với mức trung bình nhưng cũng là
một trong những nhân tố làm cho khí hậu ở bán cầu Nam có phần khắc nghiệt hơn ở
bán cầu Bắc.
Để rõ hơn về điều này, ta có thể xem trong hình vẽ dưới đây:
15
Hình 3: Bức xạ mặt trời (cal/cm2/ngày) đến bề mặt trái đất trong trường hợp không
có khí quyển
Nhận xét: Trong trường hợp không có khí quyển, độ rọi bức xạ đạt cực đại tại
khu vực xích đạo, khoảng 790 - 895 ly/ngày (cal/cm
2
/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

0
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 3, ta nhận thấy phân bố giữa hai bán cầu là khá
tương đồng, 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 ly/ngày, còn ở nam bán cầu là 1149 ly/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 sự hấp thụ và
khuếch tán của không 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 mạnh hơn (có độ hấp thụ
lớn hơn). 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 đó dẫn tới kết quả là bức xạ sóng ngắn của mặt trời
xuyên qua khí quyển khá dễ dàng đốt nóng mặt đất (vào ban ngày), nhưng bức xạ
16
sóng dài của mặt đất và các lớp khí quyển thấp lại khó thoát ra không gian vũ trụ,
giữ cho nhiệt độ trung bình của trái đất cao hơn hẳn so với trường hợp không 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 trò 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 kết ). 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 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 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 λ=4-5µm năng lượng tới mặt đất là
ít nhất. Hình 4c là sự phóng to đường cong phân bố phổ bức xạ sóng dài của mặt 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 - 15µm).
17
Hình 4: Phân bố năng lượng bức xạ mặt trời và mặt đất theo bước sóng
Đối với oxy (O
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 µm và dải B với tâm
ở 0,69µm. Song hệ số hấp thụ của oxy trong hai dải này không 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.
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 λ = 0,200µm đến
λ = 0,320 µm, ngoài ra còn có vạch yếu hơn với tâm ở λ = 0,360µm. Trong vạch
Gartlei, hấp thụ cực đại xảy ra ở bước sóng λ = 0,255µm. 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).
18
Trong khoảng phổ nhìn thấy ozon hấp thụ một dải bức xạ có bước sóng từ
0,430 - 0,750µm, hấp thụ mạnh nhất xảy ra ở bước sóng λ = 0,600µm. 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 0,300µm. Điều này có tầm quan trọng
lớn đối với sự sống trên trái đất, bởi vì tia bức xạ cực tím cường độ mạnh có thể phá
huỷ các mô 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.
Ngoài ra ozon còn có một số vạch hấp thụ yếu trong miền hồng ngoại trong
dải hẹp 9,4 - 9,9µm, song đa số các vạch này bị bao phủ bởi 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 hồng ngoại, trong đó dải mạnh nhất là dải hẹp có tâm ở bước sóng
4,3µm. Song dải này không 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 - 17,1µm) có tâm ở λ = 14,7µm, vì dải này nằm trong quang phổ bức xạ nhiệt
cực đại của khí quyển. Ngoài hai dải chính trên, cacbonic còn có một số dải yếu có
tâm ở λ = 2,7µm và λ = 2,05µm.
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 năng hấp
thụ mạnh của cacbonic trong quãng phổ bức xạ nhiệt cực đại của khí quyển đã cản
trở sự thoát nhiệt của trái đất ra không 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 loài người cần có những nỗ lực chung để giảm thiểu
sự phát thải nó.
Đối với hơi nước (H
2
O): Hơi nước là loại khí nhà kính “thiên tạo” quan
trọng nhất. Nó có ý nghĩa lớn nhất trong sự hấp thụ bức xạ khí quyển, giữ ấm cho
trái đất. Đó là vì lượng hơi nước có trong khí quyển rất lớn và nó có phổ hấp thụ

19
phức tạp với nhiều vạch, dải khác nhau. Trong khoảng phổ nhìn thấy, hơi nước
cũng có khá nhiều vạch hấp thụ, song chúng không mạnh lắm, đáng kể hơn cả là dải
α
(0,685 - 0,730µm) và dải "mưa" (0,585 - 0,606µm).
Sự hấp thụ bức xạ hồng ngoại của hơi nước có ý nghĩa to lớn 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
dải
α β ρστ φ ψ Ω ω1 ω2
x - y
Tâm
dải
0.72 0.82 0.93 1.13 1.38 1.86 1.01 1.05 1.68 3.2- 4 4-4.9
Lượng bức xạ do hơi nước hấp thụ trong các dải này phụ thuộc vào lượng hơi
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 là công thức Miuk và
Moller:
∆S=0,172(mW
0
)
0,303
(1.8)
Trong đó ∆S: giá trị hấp thụ mật độ thông lượng trực xạ tính ra cal/cm
2
phút,
m: khối lượng quang học khí quyển theo hướng đến mặt trời,
W

0
: lượng hơi nước trong cột không khí tiết diện đơn vị tính ra g/cm
2
.
Để thiết lập công thức trên, các tác giả đã coi ảnh hưởng của sự biến động
các chất hấp thụ khác (như ozon, CO
2
, O
2
,…) tới trực xạ là không đáng kể.
Sự hấp thụ bức xạ của hơi nước trong quãng phổ sóng dài hơn 4µm cũng
đáng được quan tâm. Các nghiên cứu cho thấy trong toàn bộ miền phổ từ 4 - 40µm,
năng lượng bức xạ hầu như bị hơi nước hấp thụ hoàn toàn, trừ khoảng phổ từ 8 -
12µm. Khoảng phổ từ 8 -12µm lại trùng với vùng phát xạ mạnh nhất của mặt đất và
20
các lớp khí quyển dưới thấp nên vào những đêm trời quang mây, trái đất "nguội"
nhanh nhờ thoát nhiệt (phát xạ) vào không gian vũ trụ trên dải sóng này. Do vậy,
dải sóng này còn 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
công 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 băng tuyết trong mây và sương mù cũng có các dải
hấp thụ như hơi 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 tới 21%) năng lượng bức xạ của mặt trời [2].

1.4. Sự khuếch tán bức xạ trong khí quyển
Khuếch tán bức xạ là nhân tố 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 đồng nhất về quang học. Đó là môi trường có những phần tử "ngoại lai" với các
tính chất khác với tính chất của môi trường xung quanh, hoặc môi 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 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 có thể được xác định như dao động của một điện cực. Khi đó dao
động cưỡng bức trong phần tử khuếch tán sẽ có cùng tần số và bước sóng với bước
sóng tới. Nếu sóng đầu phân cực thì sóng khuếch tán thứ hai cũng phân cực và độ
21
chói của nó sẽ khác nhau theo các hướng. Trong trường hợp kích thước phần tử
tương đương hoặc lớn hơn bước sóng tới, chúng 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 không khí và ánh sáng khuyếch tán, thì độ rọi khuyếch tán tỷ lệ với
λ
-4
. 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 có mầu đỏ. Linke đã
tính toán sự truyền qua của bức 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
toán cho thí nghiệm của mình:

22
Bảng 5: Sự truyền bức xạ xuống bề mặt biển bỏ qua sự hấp thụ và khuyếch tán của
bụi (chỉ có khuyếch tán phân tử)
Bước sóng
(µm)
Tỷ lệ truyền
(%)
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 phức tạp. Do tỷ lệ giữa bán kính phân tử và bước sóng tăng, sự khuyếch tán
không còn tỷ lệ với λ
-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 không còn 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 tới 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 dòng bức xạ sóng ngắn đem tới mặt đất.
Sóng ngắn ở đây ta quan niệm những sóng nào có bước sóng λ< 4µm. Hầu hết năng
lượng mặt trời phát ra đều là sóng ngắn (99%). Năng lượng toàn phần đến một điểm
nào đó sau một khoảng thời gian nhất định (giờ, ngày, tháng, năm. . .) được xác
định là tổng năng lượng do tất cả các dòng bức xạ đem lại. Dưới đây ta lần lượt xét
các thành phần của tổng xạ sóng ngắn tới mặt đất. [2]
23
a. Trực xạ theo các số liệu quan trắc và tính toán
Trong các phần trên ta đã xét trực xạ tới mặt đất khi không có khí quyển. Khi
có khí quyển, để tính độ rọi trực xạ (trong các tài liệu trước đây vẫn gọi là cường độ
trực xạ) trên mặt đất, E, ta cần lưu ý đến sự suy yếu của nó theo định luật Bouguer-
Lambert, do đó thay cho công thức (1.1) hoặc (1.3) ta có :
)coscoscossin)(sin0(sinh)0('
2
0
0
2
0
ωδϕδϕττ
+==
mm
R
S
R
S
S
(1.9)
trong đó τ(0) là độ trong suốt toàn phần, m là khối lượng quang học của khí quyển.
Để tính được độ phơi (tổng lượng) trực xạ trong một khoảng thời gian nào đó

ta cần tích phân phương trình trên theo thời gian. Song việc đó rất khó thực hiện vì
τ(0) trong thực tế biến đổi rất ngẫu nhiên. Để tính gần đúng ta có thể dùng giá trị
trung bình τ
(0)
m
trong khoảng thời gian đang xét. Đối với một ngày việc làm này sẽ
dẫn đến kết quả tương tự như công thức (1.6b), chỉ khác một hệ số
)0(
m
τ
và
biến trình năm của độ phơi ngày H cũng tương tự như hình 2, chỉ giảm thiểu đi
1/
)0(
m
τ
lần mà thôi. Trong khí quyển lý tưởng (sạch và khô)
925,0)o()o(
d
≈τ=τ
dựa vào (1.9) ta dễ dàng tính được S'. Đối chiếu giữa (1.9) và
các số liệu quan trắc người ta nhận thấy:
Tại một nơi, ở mực nước biển, theo (1.9) trong một ngày S' đạt cực tiểu khi h
o
và τ(o) đạt cực đại. Quả vậy, các giá trị cực đại của S' thường quan trắc được vào
buổi trưa những ngày hè, khi bầu trời quang đãng. Giá trị này ở các điểm khác nhau
không khác nhau nhiều và vào khoảng 75 - 80% hằng số mặt trời. Ngay cả ở cực
(nơi có độ cao mặt trời nhỏ) giá trị này cũng khoảng như vậy. Điều đó có thể giải
thích qua sự giảm của hơi nước làm tăng độ trong suốt từ xích đạo về cực. Nói cách
khác, tuy ở độ cao mặt trời nhỏ, song độ trong suốt lại lớn nên ảnh hưởng của chúng

đến trực xạ có thể bù trừ lẫn nhau.
24
Theo chiều cao (so với mực biển) trực xạ tăng, càng lên cao mức độ tăng
càng chậm phù hợp với sự tăng lên của τ(o).
Biến trình của S' theo thời gian trong thực tế rất phức tạp, do sự biến đổi của
h
o
và τ(o), ngoài ra nó còn phụ thuộc nhiều vào việc mây không che, che một phần
hay che kín đĩa mặt trời và tính chất vật lý (độ trong suốt) của mây. Đối với biến
trình ngày, độ rọi trực xạ trung bình
'S
(trung bình trượt) thường đạt cực đại vào
giữa trưa và bất đối xứng qua giữa trưa: buổi chiều
'S
thường lớn hơn buổi sáng ở
thời điểm đối xứng tương ứng qua giữa trưa. Đối với biến trình năm, cực đại của
'S

không rơi vào các tháng giữa hè mà thường rơi vào các tháng cuối xuân, đầu hè (lúc
có độ trong suốt lớn) và cực tiểu vào tháng mười hai.
Độ rọi trực xạ trung bình năm hoặc độ phơi (tổng lượng) trực xạ trong một
năm nói chung giảm dần khi lên vĩ độ cao. Nhưng giá trị cao nhất lại đạt được ở
những vĩ độ cận nhiệt đới - nơi có nhiều sa mạc, ít mây, mưa. Qua bảng 6 ta thấy rõ
điều này. Trong bảng, ngoài các giá trị độ phơi năm trung bình thực tế quan trắc
được còn có độ phơi năm khả năng, tức độ phơi thu được khi khí quyển trong sạch
và độ phơi năm nếu không có khí quyển (lý thuyết).
Bảng 6. Độ phơi năm của trực xạ (kJ/m
2
năm) ở các vĩ độ khác nhau
Vĩ độ

60
0
N 50
0
N 40
0
N 30
0
N 20
0
N 0
0
N 20
0
S
Độ phơi trực xạ theo lý
thuyết
766 921 1064 1181 1269 1344 1269
Khả năng (Không mây) 439 536 520 682 720 783 720
Thực tế 171 226 310 381 418 434 368
Tỷ số giữa độ phơi thực
tế và khả năng(%)
41 42 50 56 58 44 51
Tỷ số giữa độ phơi thực
và lý thuyết(%)
21.5 25 30 32 33 25.5 29
25