Năng lượng mặt trời - Lý thuyết và ứng dụng (phần 1)

NÀNG LÆÅÜNG MÀÛT TRÅÌI LYÏ THUYÃÚT VAÌ ÆÏNG DUÛNG TS. HOÀNG DƯƠNG HÙNG LÅÌI NOÏI ÂÁÖU Nhu cáöu vãö nàng læåüng cuía con ngæåìi trong thåìi âaûi khoa hoüc kyî thuáût phaït triãøn ngaìy caìng tàng. Trong khi âoï caïc nguäön nhiãn liãûu dæû træî nhæ than âaï, dáöu moí, khê thiãn nhiãn vaì ngay caí thuíy âiãûn âãöu coï haûn, khiãún cho nhán loaûi âæïng træåïc nguy cå thiãúu huût nàng læåüng. Viãûc tçm kiãúm vaì khai thaïc caïc nguäön nàng læåüng måïi nhæ nàng læåüng haût nhán, nàng læåüng âëa nhiãût, nàng læåüng gioï vaì nàng læåüng màût tråìi ... laì hæåïng quan troüng trong kãú hoaûch phaït triãøn nàng læåüng, Viãûc nghiãn cæïu sæí duûng nàng læåüng màût tråìi ngaìy caìng âæåüc quan tám, nháút laì trong tçnh traûng thiãúu huût nàng læåüng vaì váún âãö cáúp baïch vãö mäi træåìng hiãûn nay. Nàng læåüng màût tråìi âæåüc xem nhæ laì daûng nàng læåüng æu viãût trong tæång lai, âoï laì nguäön nàng læåüng sàôn coï, siãu saûch vaì miãùn phê. Do váûy nàng læåüng màût tråìi ngaìy caìng âæåüc sæí duûng räüng raîi åí caïc næåïc trãn thãú giåïi. Näüi dung cuäún saïch âæåüc biãn soaûn mäüt caïch tæång âäúi roî raìng dãù hiãøu nhåì kinh nghiãûûm giaíng daûy, nghiãn cæïu láu nàm vaì kinh nghiãûm thæûc tãú cuía taïc giaí trong lénh væûc nàng læåüng màût tråìi. Trong quaï trçnh biãn soaûn, taïc giaí âaî coï tham khaío nhiãöu taìi liãûu cuía nhiãöu taïc giaí trong vaì ngoaìi næåïc. Cuäún saïch âæåüc chia ra laìm hai pháön: - Pháön mäüt: Màût tråìi vaì Nàng læåüng màût tråìi - Pháön hai: ÆÏng duûng Nàng læåüng màût tråìi Cuäún saïch âæåüc biãn soaûn våïi muûc âêch laìm taìi liãûu tham khaío cho sinh viãn chuyãn ngaình Cäng nghãû Nhiãût Laûnh vaì nhæîng ai quan tám hoüc táûp, nghiãn cæïu vãö nàng læåüng màût tråìi. Cuäún saïch måïi âæåüc biãn soaûn láön âáöu nãn chàõc chàõn khäng traïnh khoíi nhæîng khiãúm khuyãút. Taïc giaí ráút mong nháûn âuåüc caïc yï kiãún goïp yï tæì baûn âoüc. Taïc giaí xin chán thaình caím ån caïc âäöng nghiãûp khoa Cäng nghãû Nhiãût Âiãûn laûnh, træåìng Âaûi hoüc Baïch khoa Âaì Nàông âaî âäüng viãn, giuïp âåî cho taïc giaí trong quaï trçnh biãn soaûn. TAÏC GIAÍ 3 PHÁÖN I MÀÛT TRÅÌI VAÌ NÀNG LÆÅÜNG MÀÛT TRÅÌI Màût tråìi laì mäüt trong nhæîng ngäi sao phaït saïng maì con ngæåìi coï thãø quan saït âæåüc trong vuî truû. Màût tråìi cuìng våïi caïc haình tinh vaì caïc thiãn thãø cuía noï taûo nãn hãû màût tråìi nàòm trong daíi Ngán Haì cuìng våïi haìng tyí hãû màût tråìi khaïc. Màût tråìi luän phaït ra mäüt nguäön nàng læåüng khäøng läö vaì mäüt pháön nguäön nàng læåüng âoï truyãön bàòng bæïc xaû âãún traïi âáút chuïng ta. Traïi âáút vaì Màût tråìi coï mäúi quan hãû chàût cheî, chênh bæïc xaû màût tråìi laì yãúu täú quyãút âënh cho sæû täön taûi cuía sæû säúng trãn haình tinh cuía chuïng ta. Nàng læåüng màût tråìi laì mäüt trong caïc nguäön nàng læåüng saûch vaì vä táûn vaì noï laì nguäön gäúc cuía caïc nguäön nàng læåüng khaïc trãn traïi âáút. Con ngæåìi âaî biãút táûn hæåíng nguäön nàng læåüng quê giaï naìy tæì ráút láu, tuy nhiãn viãûc khai thaïc, sæí duûng nguäön nàng læåüng naìy mäüt caïch hiãûu quaí nháút thç váùn laì váún âãö maì chuïng ta âang quan tám. 5 CHÆÅNG 1 MÀÛT TRÅÌI VAÌ TRAÏI ÂÁÚT 1.1. CÁÚU TRUÏC CUÍA MÀÛT TRÅÌI Màût tråìi laì mäüt khäúi khê hçnh cáöu coï âæåìng kênh 1,390.106km (låïn hån 110 láön âæåìng kênh Traïi âáút), caïch xa traïi âáút 150.106km (bàòng mäüt âån vë thiãn vàn AU aïnh saïng Màût tråìi cáön khoaíng 8 phuït âãø væåüt qua khoaíng naìy âãún Traïi âáút). Khäúi læåüng Màût tråìi khoaíng Mo =2.1030kg. Nhiãût âäü To trung tám màût tråìi thay âäøi trong khoaíng tæì 10.106K âãún 20.106K, trung bçnh khoaíng 15600000 K. ÅÍ nhiãût âäü nhæ váûy váût cháút khäng thãø giæî âæåüc cáúu truïc tráût tæû thäng thæåìng gäöm caïc nguyãn tæí vaì phán tæí. Noï tråí thaình plasma trong âoï caïc haût nhán cuía nguyãn tæí chuyãøn âäüng taïch biãût våïi caïc electron. Khi caïc haût nhán tæû do coï va chaûm våïi nhau seî xuáút hiãûn nhæîng vuû näø nhiãût haûch. Khi quan saït tênh cháút cuía váût cháút nguäüi hån trãn bãö màût nhçn tháúy âæåüc cuía Màût tråìi, caïc nhaì khoa hoüc âaî kãút luáûn ràòng coï phaín æïng nhiãût haûch xaíy ra åí trong loìng Màût tråìi. Hçnh 1.1. Bãn ngoaìi màût tråìi. Vãö cáúu truïc, Màût tråìi coï thãø chia laìm 4 vuìng, táút caí håüp thaình mäüt khäúi cáöu khê khäøng läö (hçnh 1.2). Vuìng giæîa goüi laì nhán hay “loîi” coï nhæîng chuyãøn âäüng âäúi læu, nåi xaíy ra nhæîng phaín æïng nhiãût haût 6 nhán taûo nãn nguäön nàng læåüng màût tråìi, vuìng naìy coï baïn kênh khoaíng 175.000km, khäúi læåüng riãng 160kg/dm3, nhiãût âäü æåïc tênh tæì 14 âãún 20 triãûu âäü, aïp suáút vaìo khoaíng haìng tràm tyí atmotphe. Vuìng kãú tiãúp laì vuìng trung gian coìn goüi laì vuìng “âäøi ngæåüc” qua âoï nàng læåüng truyãön tæì trong ra ngoaìi, váût cháút åí vuìng naìy gäöm coï sàõt (Fe), can xi (Ca), naït ri (Na), stronti (Sr), cräm (Cr), kãön (Ni), caïcbon ( C), silêc (Si) vaì caïc khê nhæ hiârä (H2), hãli (He), chiãöu daìy vuìng naìy khoaíng 400.000km. Tiãúp theo laì vuìng “âäúi læu” daìy 125.000km vaì vuìng “quang cáöu” coï nhiãût âäü khoaíng 6000K, daìy 1000km, åí vuìng naìy gäöm caïc boüt khê säi suûc, coï chäù taûo ra caïc vãút âen, laì caïc häú xoaïy coï nhiãût âäü tháúp khoaíng 4500K vaì caïc tai læía coï nhiãût âäü tæì 7000K -10000K. Vuìng ngoaìi cuìng laì vuìng báút âënh vaì goüi laì “khê quyãøn” cuía Màût tråìi. Hçnh 1.2. Cáúu truïc cuía Màût tråìi. Neutrino Loíi Vãút âen Sàõc quyãøn Tia bæïc xaû X vaì γ Tai læía Vuìng quang cáöu Vuìng âäúi læu Vuìng trung gian Bæïc xaû khaí kiãún, häöng ngoaûi vaì tæí ngoaûi Phoïng xaû Nhiãût âäü bãö màût cuía Màût tråìi laì 5762K nghéa laì coï giaï trë âuí låïn âãø caïc nguyãn tæí täön taûi trong traûng thaïi kêch thêch, âäöng thåìi âuí nhoí âãø åí 7 âáy thènh thoaíng laûi xuáút hiãûn nhæîng nguyãn tæí bçnh thæåìng vaì caïc cáúu truïc phán tæí. Dæûa trãn cå såí phán têch caïc phäø bæïc xaû vaì háúp thuû cuía Màût tråìi ngæåìi ta xaïc âënh âæåüc ràòng trãn màût tråìi coï êt nháút 2/3 säú nguyãn täú tçm tháúy trãn Traïi âáút. Nguyãn täú phäø biãún nháút trãn Màût tråìi laì nguyãn täú nheû nháút Hydrogen. Váût cháút cuía Màût tråìi bao gäöm khoaíng 73.46% laì Hydrogen vaì gáön 24,85% laì Hãlium, coìn laûi laì caïc nguyãn täú vaì caïc cháút khaïc nhæ Oxygen 0,77%, Carbon 0,29%, Iron 0,16%, Neon 0,12%, Nitrogen 0,09%, Silicon 0,07%, Magnesium 0,05% vaì Sulphur 0,04%. Nguäön nàng læåüng bæïc xaû chuí yãúu cuía Màût tråìi laì do phaín æïng nhiãût haûch täøng håüp haût nhán Hyârä, phaín æïng naìy âæa âãún sæû taûo thaình Hãli. Haût nhán cuía Hyârä coï mäüt haût mang âiãûn dæång laì proton. Thäng thæåìng nhæîng haût mang âiãûn cuìng dáúu âáøy nhau, nhæng åí nhiãût âäü âuí cao chuyãøn âäüng cuía chuïng seî nhanh tåïi mæïc chuïng coï thãø tiãún gáön tåïi nhau åí mäüt khoaíng caïch maì åí âoï coï thãø kãút håüp våïi nhau dæåïi taïc duûng cuía caïc læûc huït. Khi âoï cæï 4 haût nhán Hyârä laûi taûo ra mäüt haût nhán Hãli, 2 Neutrino vaì mäüt læåüng bæïc xaû γ. 4H11 → He24 + 2 Neutrino + γ (1.1) Neutrino laì haût khäng mang âiãûn, ráút bãön vaì coï khaí nàng âám xuyãn ráút låïn. Sau phaín æïng caïc Neutrino láûp tæïc råìi khoíi phaûm vi màût tråìi vaì khäng tham gia vaìo caïc “biãún cäú” sau âoï. Trong quaï trçnh diãùn biãún cuía phaín æïng coï mäüt læåüng váût cháút cuía Màût tråìi bë máút âi. Khäúi læåüng cuía Màût tråìi do âoï mäùi giáy giaím chæìng 4.106 táún, tuy nhiãn theo caïc nhaì nghiãn cæïu, traûng thaïi cuía Màût tråìi váùn khäng thay âäøi trong thåìi gian haìng tyí nàm næîa. Mäùi ngaìy Màût tråìi saín xuáút mäüt nguäön nàng læåüng qua phaín æïng nhiãût haûch lãn âãún 9.1024kWh (tæïc laì chæa âáöy mäüt pháön triãûu giáy Màût tråìi âaî giaíi phoïng ra mäüt læåüng nàng læåüng tæång âæång våïi täøng säú âiãûn nàng saín xuáút trong mäüt nàm trãn Traïi âáút). 8 1.2. PHAÍN ÆÏNG HAÛT NHÁN TRONG MÀÛT TRÅÌI 1.2.1. Phaín æïng täøng håüp haût nhán Hãli Trong quaï trçnh hçnh thaình, nhiãût âäü bãn trong Màût tråìi seî tàng dáön. Khi vuìng tám màût tråìi âaût nhiãût âäü T≥ 107K, thç coï âuí âiãöu kiãûn âãø xaíy ra phaín æïng täøng håüp Hãli tæì Hyârä, theo phæång trçnh: 4H1 → He4 + q. (1.2) Âáy laì phaín æïng sinh nhiãût q = ∆m.c2, trong âoï c = 3.108m/s laì váûn täúc aïnh saïng trong chán khäng, ∆m = (4mH - mHe) laì khäúi læåüng bë huût, âæåüc biãún thaình nàng læåüng theo phæång trçnh Einstein. Mäùi 1kg haût nhán H1 chuyãøn thaình He4 thç bë huût mäüt khäúi læåüng ∆m = 0,01kg, vaì giaíi phoïng ra nàng læåüng: q = ∆m.c2 = 0,01.(3.108)2 = 9.1014 J (1.3) Læåüng nhiãût sinh ra seî laìm tàng aïp suáút khäúi khê, khiãún màût tråìi phaït ra aïnh saïng vaì bæïc xaû, vaì nåí ra cho âãún khi cán bàòng våïi læûc háúp dáùn. Mäùi giáy Màût tråìi tiãu huíy hån 420 triãûu táún hyârä, giaím khäúi læåüng ∆m = 4,2 triãûu táún vaì phaït ra nàng læåüng Q = 3,8.1026W. Giai âoaûn âäút Hyârä cuía Màût tråìi âaî âæåüc khåíi âäüng caïch âáy 4,5 tyí nàm, vaì coìn tiãúp tuûc trong khoaíng 5,5 tyí nàm næîa. 1.2.2. Phaín æïng täøng håüp Caïcbon vaì caïc nguyãn täú khaïc Khi nhiãn liãûu H2 duìng sàõp hãút, phaín æïng täøng håüp He seî yãúu dáön, aïp læûc bæïc xaû bãn trong khäng âuí maûnh âãø cán bàòng læûc neïn do háúp dáùn, khiãún thãø têch co laûi. Khi co laûi, khê He bãn trong bë neïn nãn nhiãût âäü tàng dáön, cho âãún khi âaût tåïi nhiãût âäü 108K, seî xaíy ra phaín æïng täøng håüp nhán Cacbon tæì He : 3He4 → C12 + q (1.4) Phaín æïng naìy xaíy ra åí nhiãût âäü cao, täúc âäü låïn, nãn thåìi gian chaïy He chè bàòng 1/30 thåìi gian chaïy H2 khoaíng 300 triãûu nàm. Nhiãût sinh ra trong phaín æïng laìm tàng aïp suáút bæïc xaû, khiãún ngäi sao nåí ra haìng tràm láön so våïi træåïc. Luïc naìy màût ngoaìi sao nhiãût âäü khoaíng 9 4000K, coï maìu âoí, nãn goüi laì sao âoí khäøng läö. Vaìo thåìi âiãøm laì sao âoí khäøng läö, Màût tråìi seî nuäút chæíng sao Thuíy vaì sao Kim, nung Traïi âáút âãún 1500K thaình mäüt haình tinh noïng chaíy, kãút thuïc sæû säúng taûi âáy. Kãút thuïc quaï trçnh chaïy He, aïp læûc trong sao giaím, læûc háúp dáùn eïp sao co laûi, laìm máût âäü vaì nhiãût âäü tàng lãn, âãún T= 5.106K seî xaíy ra phaín æïng taûo Oxy: 4C12→ 3O16 + q (1.5) Quaï trçnh chaïy xaíy ra nhæ trãn, våïi täúc âäü tàng dáön vaì thåìi gian ngàõn dáön. Chu trçnh chaïy - tàõt - neïn - chaïy âæåüc tàng täúc, liãn tiãúp thæûc hiãûn caïc phaín æïng taûo nguyãn täú måïi O16 -> Ne20 -> Na22 -> Mg24 -> Al26 -> Si28 -> P30 -> S32 ->... -> Cr52 -> Mn54 -> Fe56 Caïc phaín æïng trãn âaî taûo ra hån 20 nguyãn täú, táûn cuìng laì Fe56 (gäöm 26 proton vaì 30 netron), toaìn bäü quaï trçnh âæåüc tàng täúc, xaíy ra chè trong vaìi triãûu nàm. Sau khi taûo ra Fe56, chuäùi phaín æïng haût nhán trong ngäi sao kãút thuïc, vç viãûc täøng håüp sàõt thaình nguyãn täú nàûng hån khäng coï âäüü huût khäúi læåüng, khäng phaït sinh nàng læåüng, maì cáön phaíi cáúp thãm nàng læåüng. 1.3. TRAÏI ÂÁÚT VAÌ KHÊ QUYÃØN CUÍA TRAÏI ÂÁÚT Traïi âáút âæåüc hçnh thaình caïch âáy gáön 5 tyí nàm tæì mäüt vaình âai buûi khê quay quanh Màût tråìi, kãút tuû thaình mäüt quaí cáöu xäúp tæû xoay vaì quay quanh Màût tråìi. Læûc háúp dáùn eïp quaí cáöu co laûi, khiãún nhiãût âäü noï tàng lãn haìng ngaìn âäü, laìm noïng chaíy quaí cáöu, khi âoï caïc nguyãn täú nàûng nhæ Sàõt vaì Niken chçm dáön vaìo tám taûo loîi quaí âáút, xung quanh laì magma loíng, ngoaìi cuìng laì khê quyãøn så khai gäöm H2, He, H2O, CH4, NH3 vaì H2SO4. Traïi âáút tiãúp tuûc quay, toía nhiãût vaì nguäüi dáön. Caïch âáy 3,8 tyí nàm nhiãût âäü Traïi âáút âuí nguäüi âãø Silicat näøi lãn trãn 10 màût magma räöi âäng cæïng laûi, taûo ra voí traïi âáút daìy khoaíng 25km, våïi nuïi cao, âáút bàòng vaì häú sáu. Nàng læåüng phoïng xaû trong loìng âáút våïi bæïc xaû Màût tråìi tiãúp tuûc gáy ra caïc biãún âäøi âëa táöng, vaì taûo ra thãm H2O, N2, O2, CO2 trong khê quyãøn. Khê quyãøn nguäüi dáön âãún âäü næåïc ngæng tuû, gáy ra mæa keïo daìi haình triãûu nàm, taûo ra säng häö, biãøn vaì âaûi dæång. Caïch âáy gáön 2 tyí nàm, nhæîng sinh váût âáöu tiãn xuáút hiãûn trong næåïc, sau âoï phaït triãøn thaình sinh váût cáúp cao vaì tiãún hoaï thaình ngæåìi. Traïi âáút, haình tinh thæï 3 tênh tæì Màût tråìi, cuìng våïi Màût tràng, mäüt vãû tinh duy nháút taûo ra mäüt hãû thäúng haình tinh keïp âàûc biãût. Traïi âáút laì haình tinh låïn nháút trong säú caïc haình tinh bãn trong cuía hãû màût tråìi våïi âæåìng kênh åí xêch âaûo 12.756 km. Nhçn tæì khäng gian, Traïi âáút coï maìu xanh, náu vaì xanh laï cáy våïi nhæîng âaïm máy tràõng thæåìng xuyãn thay âäøi. Bãö màût Traïi âáút coï mäüt âàûc tênh maì khäng mäüt haình tinh naìo khaïc coï: hai traûng thaïi cuía váût cháút cuìng täön taûi bãn nhau åí caí thãø ràõn vaì thãø loíng. Vuìng ranh giåïi giæîa biãøn vaì âáút liãön laì nåi duy nháút trong vuî truû coï váût cháút hiãûn hæîu äøn âënh trong caí 3 thãø ràõn, loíng vaì khê. Haình tinh traïi âáút di chuyãøn trãn mäüt quyî âaûo gáön ellip, Màût tråìi khäng åí tám cuía ellip, maì laì taûi 1 trong 2 tiãu âiãøm. Trong thåìi gian mäüt nàm, coï khi Traïi âáút gáön, coï khi xa Màût tråìi âäi chuït, vç quyî âaûo ellip cuía noï gáön nhæ hçnh troìn. Haìng nàm, vaìo thaïng giãng, Traïi âáút gáön Màût tråìi hån so våïi vaìo thaïng 7 khoaíng 5 triãûu km, sæû sai biãût naìy quaï nhoí so våïi khoaíng caïch màût tråìi âãún Traïi âáút. Chuïng ta khäng caím nháûn âæåüc sæû khaïc biãût naìy trong mäüt voìng quay cuía Traïi âáút quanh Màût tråìi, hay trong mäüt nàm, sæû khaïc biãût vãö khoaíng caïch naìy háöu nhæ khäng aính hæåíng gç âãún muìa âäng vaì muìa heì trãn traïi âáút, chè coï âiãöu laì vaìo muìa âäng chuïng ta åí gáön Màût tråìi hån so våïi muìa heì chuït êt. 11 Traïi âáút chuyãøn âäüng quanh Màût tråìi, âäöng thåìi noï cuîng tæû quay quanh truûc cuía noï. Trong thåìi gian quay mäüt voìng quanh Màût tråìi, Traïi âáút quay 365 vaì 1/4 voìng quanh truûc. Chuyãøn âäüng quay quanh Màût tråìi taûo nãn bäún muìa, chuyãøn âäüng quay quanh truûc taûo nãn ngaìy vaì âãm trãn Traïi âáút. Truûc quay cuía Traïi âáút khäng thàóng goïc våïi màût phàóng quyî âaûo, båíi thãú chuïng ta coï muìa âäng vaì muìa heì. Traïi âáút quay, vç thãú âäúi våïi chuïng ta âæïng trãn Traïi âáút coï veí nhæ caïc vç sao cäú âënh âæåüc gàõn chàût våïi quaí cáöu báöu tråìi quay xung quanh chuïng ta. Chuyãøn âäüng quay cuía Traïi âáút khäng quaï nhanh âãø læûc ly tám cuía noï coï thãø bàõn chuïng ta ra ngoaìi khäng gian. Læûc ly tám taïc duûng lãn moüi váût cuìng quay theo Traïi âáút, nhæng vä cuìng nhoí. Læûc ly tám låïn nháút åí xêch âaûo noï keïo moüi váût thãø lãn phêa trãn vaì laìm chuïng nheû âi chuït êt. Vç thãú, moüi váût thãø åí xêch âaûo cán nheû hån nàm pháön ngaìn so våïi åí hai cæûc. Háûu quaí cuía chuyãøn âäüng quay laìm cho Traïi âáút khäng coìn âuïng laì quaí cáöu troìn âãöu næîa maì læûc ly tám laìm cho noï phçnh ra åí xêch âaûo mäüt chuït (hçnh 1.3). Sæû sai khaïc naìy thæûc ra khäng âaïng kãø, baïn kênh Traïi âáút åí xêch âaûo laì 6.378.140km, låïn hån khoaíng caïch tæì 2 cæûc âãún tám Traïi âáút laì gáön 22km. Hçnh 1.3. Traïi âáút Cæûc Nam Cæûc Bàõc Xêch âaûo 12 Sæû säúng chè hiãûn hæîu duy nháút trãn Traïi âáút. Trãn caïc haình tinh khaïc gáön chuïng ta nháút nhæ sao Kim thç quaï noïng vaì sao Hoía quaï laûnh. Næåïc trãn sao Kim nay âaî bäúc thaình håi næåïc, coìn næåïc trãn sao Hoaí âaî âoïng thaình bàng bãn dæåïi bãö màût cuía noï. Chè coï haình tinh cuía chuïng ta laì phuì håüp cho næåïc åí thãø loíng våïi nhiãût âäü tæì 0oC âãún 100oC. Xung quanh Traïi âáút coï låïp khê quyãøn daìy khoaíng H = 800km chæïa N2, O2, H2O, CO2, NOx, H2, He, Ar, Ne. AÏp suáút vaì khäúi læåüng riãng cuía khê quyãøn giaím dáön våïi âäü cao y theo quy luáût: p(y) = p0.(1 - (g/(Cp.T0)).y)Cp/R (1.6) ρ(y) = ρ0(1 - (g/(Cp.T0)).y)Cv/R (1.7) Khê quyãøn taïc âäüng âãún nhiãût âäü trãn haình tinh cuía chuïng ta. Caïc vuû phun traìo nuïi læía cuìng våïi caïc hoaût âäüng cuía con ngæåìi laìm aính hæåíng âãún caïc thaình pháön cáúu taûo cuía khê quyãøn. Vç thãú, hãû sinh thaïi trãn haình tinh chuïng ta laì kãút quaí cuía sæû cán bàòng mong manh giæîa caïc aính hæåíng khaïc nhau. Trong quaï khæï, hãû sinh thaïi naìy laì mäüt hãû thäúng cán bàòng tæû âiãöu chènh, nhæng ngaìy nay do taïc âäüng cuía con ngæåìi coï thãø âang laì nguyãn nhán laìm væåüt qua traûng thaïi cán bàòng naìy. Låïp khäng khê bao quanh Traïi âáút coï thãø têch khoaíng 270 triãûu km3 vaì nàûng khoaíng 5.300 tyí táún âeì lãn thán thãø chuïng ta. Nhæîng gç maì chuïng ta caím nháûn âæåüc chè xaíy ra trong táöng tháúp nháút, cao khoaíng 18km cuía cäüt khäng khê khäøng läö naìy, tuy nhiãn, pháön nhoí naìy laûi âoïng vai troì quan troüng nháút âäúi våïi sæû säúng trãn haình tinh cuía chuïng ta. Trong khäng khê chæïa khoaíng 78% phán tæí nitå vaì 21% oxy cuìng våïi 1% argon vaì mäüt säú cháút khê khaïc vaì håi næåïc trong âoï coï khoaíng 0,03% khê caïcbonic. Màûc dáöu haìm læåüng khê caïcbonic ráút nhoí, nhæng laûi âoïng mäüt vai troì quan troüng âäúi våïi sæû säúng trãn traïi âáút. 13 Caìng lãn cao aïp suáút khäng khê giaím vaì nhiãût âäü cuîng thay âäøi ráút nhiãöu, tuy nhiãn nhiãût âäü cuía khäng khê khäng haû xuäúng mäüt caïch âån giaín khi chuïng ta tiãún ra ngoaìi khäng gian, nhiãût âäü khäng khê giaím vaì tàng theo mäüt chu trçnh nháút âënh (hçnh 1.4). Nhiãût âäü åí mäùi táöng tæång æïng våïi mæïc têch tuû vaì loaûi nàng læåüng taïc âäüng trong táöng âoï. Khê quyãøn cuía Traïi âáút coï thãø chia laìm 4 táöng, trong âoï mäùi táöng coï mäüt kiãøu cán bàòng nàng læåüng khaïc nhau. Táöng dæåïi cuìng nháút goüi laì táöng âäúi læu (Troposphere) táöng naìy bë chi phäúi båíi aïnh saïng khaí kiãún vaì tia häöng ngoaûi, gáön 95% täøng säú khäúi læåüng vaì toaìn bäü næåïc trong khê quyãøn phán bäú trong táöng naìy táöng âäúi læu cao chè khoaíng 14km. Gáön nhæ toaìn bäü sæû trao âäøi nàng læåüng giæîa khê quyãøn vaì Traïi âáút xaíy ra trong táöng naìy. Màût âáút vaì màût biãøn bë hám noïng lãn båíi Hçnh 1.4. Sæû thay âäøi nhiãût âäü theo âäü cao cuía caïc táöng khê quyãøn. Thæåüng táöng khê quyãøn (K) Quyãøn tæì Táöng âiãûn ly Táöng giæîa Táöng bçnh læu Táöng âäúi læu 14 aïnh nàõng Màût tråìi. Nhiãût âäü trung bçnh trãn bãö màût Traïi âáút khoaíng 15oC, bæïc xaû nhiãût âoïng vai troì âiãöu tiãút tæû nhiãn âãø giæî cho nhiãût âäü trãn màût âáút chè thay âäøi trong mäüt daíi táöng heûp. Theo lyï thuyãút, caìng lãn cao nhiãût âäü caìng giaím T(y) = T0 - (g/Cp).y, nhæng trong thæûc tãú thç khäng âuïng nhæ váûy. Trãn táöng âäúi læu laì táöng bçnh læu (Stratosphere), taûi âáy nhiãût âäü bàõt âáöu tàng tråí laûi. Nhiãût âäü taûi vuìng chuyãøn tiãúp giæîa vuìng âäúi læu vaì vuìng bçnh læu khoaíng -50oC, caìng lãn cao nhiãût âäü laûi tàng dáön, taûi ranh giåïi cuía táöng bçnh læu coï âäü cao khoaíng 50km nhiãût âäü tàng lãn khoaíng 0oC. Nguyãn nhán gáy ra hiãûn tæåüng naìy laì vç caïc phán tæí oxy (O2) vaì ozon (O3) háúp thuû mäüt pháön caïc tia cæûc têm âãún tæì Màût tråìi (90% ozon trong khê quyãøn chæïa trong táöng bçnh læu). Nãúu táút caí caïc tia cæûc têm naìy coï thãø âãún màût âáút thç sæû säúng trãn Traïi âáút coï nguy cå bë huíy diãût. Mäüt pháön nhoí tia cæûc têm bë háúp thuû båíi O2 trong táöng bçnh læu, quaï trçnh naìy taïch mäüt phán tæí O2 thaình 2 nguyãn tæí O, mäüt säú nguyãn tæí O phaín æïng våïi phán tæí O2 khaïc âãø taûo thaình O3. Màûc dáöu chè mäüt pháön triãûu phán tæí trong khê quyãøn laì äzän nhæng caïc phán tæí êt oíi naìy coï khaí nàng háúp thuû háöu hãút aïnh saïng cæûc têm træåïc khi chuïng âãún âæåüc màût âáút. Caïc photon trong aïnh saïng cæûc têm chæïa nàng læåüng låïn gáúp 2 âãún 3 láön caïc photon trong aïnh saïng khaí kiãún, chuïng laì mäüt trong caïc nguyãn nhán gáy bãûnh ung thæ da. Caïc kãút quaí nghiãn cæïu gáön âáy cho tháúy læåüng äzän trong táöng tháúp nháút cuía khê quyãøn (táöng âäúi læu) ngaìy caìng tàng, trong khi âoï haìm læåüng ozon trong táöng bçnh læu âaî bë giaím 6% tæì 20 nàm tråí laûi âáy. Háûu quaí cuía sæû suy giaím naìy laì caïc tia cæûc têm coï thãø xuyãn qua khê quyãøn âãún màût âáút ngaìy nhiãöu hån vaì laìm nhiãût âäü trong táöng bçnh læu ngaìy caìng laûnh âi, trong khi âoï nhiãût âäü trong táöng âäúi læu ngaìy mäüt noïng lãn do haìm læåüng äzän gáön màût âáút ngaìy caìng tàng. 15 Trong táöng giæîa (Mesosphere), coï âäü cao tæì 50km tråí lãn, ozon thçnh lçnh moíng ra vaì nhiãût âäü giaím dáön vaì lãn âãún ranh giåïi cao nháút cuía táöng naìy (khoaíng 80km) thç nhiãût âäü chè khoaíng -90oC. Caìng lãn cao nhiãût âäü bàõt âáöu tàng tråí laûi vaì sæû cáúu taûo cuía khê quyãøn thay âäøi hoaìn toaìn. Trong khi åí táöng dæåïi caïc quaï trçnh cå hoüc vaì trong táöng giæîa caïc quaï trçnh hoaï hoüc xaíy ra ráút tiãu biãøu, thç trong táöng cao nháút cuía khê quyãøn caïc quaï trçnh diãùn ra ráút khaïc biãût. Nhiãût læåüng bæïc xaû ráút maûnh cuía màût tråìi laìm taïch caïc phán tæí ra âãø taûo thaình caïc ion vaì electron. Vç thãú ngæåìi ta goüi táöng naìy laì táöng âiãûn ly (Ionosphere) caïc soïng âiãûn tæì bë phaín xaû trong táöng naìy. Caìng lãn cao, bæïc xaû màût tråìi caìng maûnh, åí âäü cao khoaíng 600km, nhiãût âäü lãn âãún 1000oC. Caìng lãn cao khê quyãøn caìng moíng vaì khäng coï mäüt ranh giåïi roî raìng phán biãût giæîa khê quyãøn cuía traïi âáút vaì khäng gian. Ngæåìi ta thäúng nháút ràòng khê quyãøn chuáøn cuía traïi âáút coï âäü cao 800km. 16 CHÆÅNG 2 NÀNG LÆÅÜNG BÆÏC XAÛ MÀÛT TRÅÌI 2.1. BÆÏC XAÛ MÀÛT TRÅÌI Trong toaìn bäü bæïc xaû cuía Màût tråìi, bæïc xaû liãn quan træûc tiãúp âãún caïc phaín æïng haût nhán xaíy ra trong nhán màût tråìi khäng quaï 3%. Bæïc xaû γ ban âáöu khi âi qua 5.105km chiãöu daìy cuía låïp váût cháút Màût tråìi bë biãún âäøi ráút maûnh. Táút caí caïc daûng cuía bæïc xaû âiãûn tæì âãöu coï baín cháút soïng vaì chuïng khaïc nhau åí bæåïc soïng. Bæïc xaû γ laì soïng ngàõn nháút trong caïc soïng âoï (Hçnh 2.1), tæì tám Màût tråìi âi ra do sæû va chaûm hoàûc taïn xaû maì nàng læåüng cuía chuïng giaím âi vaì báy giåì chuïng æïng våïi bæïc xaû coï bæåïc soïng daìi. Nhæ váûy bæïc xaû chuyãøn thaình bæïc xaû Rånghen coï bæåïc soïng daìi hån. Gáön âãún bãö màût Màût tråìi nåi coï nhiãût âäü âuí tháúp âãø coï thãø täön taûi váût cháút trong traûng thaïi nguyãn tæí vaì caïc cå chãú khaïc bàõt âáöu xaíy ra. 10exp -8 10exp -6 10exp -4 10exp -2 10exp 0 10exp 2 10exp 4 10exp 6 10exp 8 10exp 10 Tia Gamma Tæí ngoaûi Radar, TV, Radio Radio Radio Soïng daìiSoïng ngàõn Bæïc xaû nhiãût Tia Cosmic Tia X . Gáön xa Tia häöng ngoaûi 25 AÏnh saïng trong tháúy 0.38 - 0.78 Nàng læåüng màût tråìi3 ÂÄÜ DAÌI BÆÅÏC SOÏNG ( Hçnh1.1: Daîi bæïc xaû âiãûn tæì Hçnh 2.1. Daíi bæïc xaû âiãûn tæì 17 Âàûc træng cuía bæïc xaû màût tråìi truyãön trong khäng gian bãn ngoaìi Màût tråìi laì mäüt phäø räüng trong âoï cæûc âaûi cuía cæåìng âäü bæïc xaû nàòm trong daíi 10-1 - 10 µm vaì háöu nhæ mäüt næía täøng nàng læåüng màût tråìi táûp trung trong khoaíng bæåïc soïng 0,38 - 0,78 µm âoï laì vuìng nhçn tháúy cuía phäø. Chuìm tia truyãön thàóng tæì Màût tråìi goüi laì bæïc xaû træûc xaû. Täøng håüp caïc tia træûc xaû vaì taïn xaû goüi laì täøng xaû. Máût âäü doìng bæïc xaû træûc xaû åí ngoaìi låïp khê quyãøn, tênh âäúi våïi våïi 1m2 bãö màût âàût vuäng goïc våïi tia bæïc xaû, âæåüc tênh theo cäng thæïc: (2.1) 40_ )100/(. TCq TDϕ= ÅÍ âáy :ϕD T− - hãû säú goïc bæïc xaû giæîa Traïi âáút vaì Màût tråìi (2.2) 4/2βϕ =−TD β - goïc nhçn màût tråìi vaì β ≈ 32’ nhæ hçnh 2.2 C0 = 5,67 W/m2.K4 - hãû säú bæïc xaû cuía váût âen tuyãût âäúi T ≈ 5762 oK - nhiãût âäü bãö màût Màût tråìi (xem giäúng váût âen tuyãût âäúi) 32' 149 500 000 km ± 1.7% Màût tråìi Traïi âáút D = 1 390 000 km D'= 12 700 km Hçnh 1.2 : Goïc nhçn màût tråìi Hçnh 2.2. Goïc nhçn Màût tråìi. 18 Váûy 4 2 100 5762.67,5. 4 60.360 32.14,3.2 ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ =q ≈ 1353 W/m2 (2.3) Do khoaíng caïch giæîa Traïi âáút vaì Màût tråìi thay âäøi theo muìa trong nàm nãn β cuîng thay âäøi, do âoï q cuîng thay âäøi nhæng âäü thay âäøi naìy khäng låïn làõm nãn coï thãø xem q laì khäng âäøi vaì âæåüc goüi laì hàòng säú màût tråìi. Khi truyãön qua låïp khê quyãøn bao boüc quanh Traïi âáút, caïc chuìm tia bæïc xaû bë háúp thuû vaì taïn xaû båíi táöng äzän, håi næåïc vaì buûi trong khê quyãøn, chè mäüt pháön nàng læåüng âæåüc truyãön træûc tiãúp tåïi Traïi âáút. Âáöu tiãn äxy phán tæí bçnh thæåìng O2 phán ly thaình äxy nguyãn tæí O, âãø phaï våî liãn kãút phán tæí âoï, cáön phaíi coï caïc photon bæåïc soïng ngàõn hån 0,18µm, do âoï caïc photon (xem bæïc xaû nhæ caïc haût råìi raûc - photon) coï nàng læåüng nhæ váûy bë háúp thuû hoaìn toaìn. Chè mäüt pháön caïc nguyãn tæí äxy kãút håüp thaình caïc phán tæí, coìn âaûi âa säú caïc nguyãn tæí tæång taïc våïi caïc phán tæí äxy khaïc âãø taûo thaình phán tæí äzän O3, äzän cuîng háúp thuû bæïc xaû tæí ngoaûi nhæng våïi mæïc âäü tháúp hån so våïi äxy, dæåïi taïc duûng cuía caïc photon våïi bæåïc soïng ngàõn hån 0,32µm, sæû phán taïch O3 thaình O2 vaì O xaíy ra. Nhæ váûy háöu nhæ toaìn bäü nàng læåüng cuía bæïc xaû tæí ngoaûi âæåüc sæí duûng âãø duy trç quaï trçnh phán ly vaì håüp nháút cuía O, O2 vaì O3, âoï laì mäüt quaï trçnh äøn âënh. Do quaï trçnh naìy, khi âi qua khê quyãøn, bæïc xaû tæí ngoaûi biãún âäøi thaình bæïc xaû våïi nàng læåüng nhoí hån. Caïc bæïc xaû våïi bæåïc soïng æïng våïi caïc vuìng nhçn tháúy vaì vuìng häöng ngoaûi cuía phäø tæång taïc våïi caïc phán tæí khê vaì caïc haût buûi cuía khäng khê nhæng khäng phaï våî caïc liãn kãút cuía chuïng, khi âoï caïc photon bë taïn xaû khaï âãöu theo moüi hæåïng vaì mäüt säú photon quay tråí laûi khäng gian vuî truû. Bæïc xaû chëu daûng taïn xaû âoï chuí yãúu laì bæïc xaû coï 19 bæåïc soïng ngàõn nháút. Sau khi phaín xaû tæì caïc pháön khaïc nhau cuía khê quyãøn bæïc xaû taïn xaû âi âãún chuïng ta mang theo maìu xanh lam cuía báöu tråìi trong saïng vaì coï thãø quan saït âæåüc åí nhæîng âäü cao khäng låïn. Caïc gioüt næåïc cuîng taïn xaû ráút maûnh bæïc xaû màût tråìi. Bæïc xaû màût tråìi khi âi qua khê quyãøn coìn gàûp mäüt tråí ngaûi âaïng kãø næîa âoï laì do sæû háúp thuû cuía caïc pháön tæí håi næoïc, khê caïcbänic vaì caïc håüp cháút khaïc, mæïc âäü cuía sæû háúp thuû naìy phuû thuäüc vaìo bæåïc soïng, maûnh nháút åí khoaíng giæîa vuìng häöng ngoaûi cuía phäø. Pháön nàng læåüng bæïc xaû màût tråìi truyãön tåïi bãö màût traïi âáút trong nhæîng ngaìy quang âaîng (khäng coï máy) åí thåìi âiãøm cao nháút vaìo khoaíng 1000W/m2 (Hçnh 2.3) 1353 W/m2 1000 W/m2 Tia phaín xaû Bæïc xaû khuyãúch taïn Máút maït do sæû háúp thuû Sæû phaín xaû Khê quyãøn Bãö màût traïi âáút (Tråìi quang âaîng) Khoaíng khäng Vuî truû Hçnh 2.3. Quaï trçnh truyãön nàng læåüng bæïc xaû màût tråìi qua låïp khê quyãøn cuía Traïi âáút. 20 Yãúu täú cå baín xaïc âënh cæåìng âäü cuía bæïc xaû màût tråìi åí mäüt âiãøm naìo âoï trãn Traïi âáút laì quaîng âæåìng noï âi qua. Sæû máút maït nàng læåüng trãn quaîng âæåìng âoï gàõn liãön våïi sæû taïn xaû, háúp thuû bæïc xaû vaì phuû thuäüc vaìo thåìi gian trong ngaìy, muìa, vë trê âëa lyï. Caïc muìa hçnh thaình laì do sæû nghiãng cuía truûc traïi âáút âäúi våïi màût phàóng quyî âaûo cuía noï quanh Màût tråìi gáy ra. Goïc nghiãng vaìo khoaíng 66,5o vaì thæûc tãú xem nhæ khäng âäøi trong khäng gian. Sæû âënh hæåïng nhæ váûy cuía truûc quay traïi âáút trong chuyãøn âäüng cuía noï âäúi våïi Màût tråìi gáy ra nhæîng sæû dao âäüng quan troüng vãö âäü daìi ngaìy vaì âãm trong nàm. 2.2. TÊNH TOAÏN NÀNG LÆÅÜNG MÀÛT TRÅÌI Cæåìng âäü bæïc xaû màût tråìi trãn màût âáút chuí yãúu phuû thuäüc 2 yãúu täú: goïc nghiãng cuía caïc tia saïng âäúi våïi màût phàóng bãö màût taûi âiãøm âaî cho vaì âäü daìi âæåìng âi cuía caïc tia saïng trong khê quyãøn hay noïi chung laì phuû thuäüc vaìo âäü cao cuía Màût tråìi (Goïc giæîa phæång tæì âiãøm quan saït âãún Màût tråìi vaì màût phàóng nàòm ngang âi qua âiãøm âoï). Yãúu täú cå baín xaïc âënh cæåìng âäü cuía bæïc xaû màût tråìi åí mäüt âiãøm naìo âoï trãn Traïi âáút laì quaîng âæåìng noï âi qua. Sæû máút maït nàng læåüng trãn quaîng âæåìng âoï gàõn liãön våïi sæû taïn xaû, háúp thuû bæïc xaû vaì phuû thuäüc vaìo thåìi gian trong ngaìy, muìa, vë trê âëa lyï. Quan hãû giæîa bæïc xaû màût tråìi ngoaìi khê quyãøn vaì thåìi gian trong nàm coï thãø xaïc âënh theo phæång trçnh sau: Eng = Eo(1+0, 033cos 365 360n ), W/m2 (2.4) trong âoï, Eng laì bæïc xaû ngoaìi khê quyãøn âæåüc âo trãn màût phàóng vuäng goïc våïi tia bæïc xaû vaìo ngaìy thæï n trong nàm. 2.2.1. Tênh toaïn goïc tåïi cuía bæïc xaû træûc xaû Trong quaï trçnh tênh toaïn cáön âënh nghéa mäüt säú khaïi niãûm nhæ sau: 21 - Hãû säú khäúi khäng khê m, laì tyí säú giæîa khäúi læåüng khê quyãøn theo phæång tia bæïc xaû truyãön qua vaì khäúi læåüng khê quyãøn theo phæång thàóng âæïng (tæïc laì khi Màût tråìi åí thiãn âènh). Nhæ váûy m =1 khi Màût tråìi åí thiãn âènh, m =2 khi goïc thiãn âènh θz laì 600. Âäúi våïi caïc goïc thiãn âènh tæì 0-700 coï thãø xaïc âënh gáön âuïng m =1/cosθz . Coìn âäúi våïi caïc goïc θz >700 thç âäü cong cuía bãö màût traïi âáút phaíi âæåüc âæa vaìo tênh toaïn. Riãng âäúi våïi træåìng håüp tênh toaïn bæïc xaû màût tråìi ngoaìi khê quyãøn m =0. - Træûc xaû: laì bæïc xaû màût tråìi nháûn âæåüc khi khäng bë báöu khê quyãøn phaït taïn. Âáy laì doìng bæïc xaû coï hæåïng vaì coï thãø thu âæåüc åí caïc bäü thu kiãøu táûp trung (häüi tuû). - Taïn xaû: laì bæïc xaû màût tråìi nháûn âæåüc sau khi hæåïng cuía noï âaî bë thay âäøi do sæû phaït taïn cuía báöu khê quyãøn (trong mäüt säú taìi liãûu khê tæåüng, taïn xaû coìn âæåüc goüi laì bæïc xaû cuía báöu tråìi, åí âáy cáön phán biãût taïn xaû cuía màût tråìi våïi bæïc xaû häöng ngoaûi cuía báöu khê quyãøn phaït ra). - Täøng xaû: laì täøng cuía træûc xaû vaì taïn xaû trãn mäüt bãö màût (phäø biãún nháút laì täøng xaû trãn mäüt bãö màût nàòm ngang, thæåìng goüi laì bæïc xaû cáöu trãn bãö màût). - Cæåìng âäü bæïc xaû (W/m2): laì cæåìng âäü nàng læåüng bæïc xaû màût tråìi âãún mäüt bãö màût tæång æïng våïi mäüt âån vë diãûn têch cuía bãö màût. Cæåìng âäü bæïc xaû cuîng bao gäöm cæåìng âäü bæïc xaû træûc xaû Etrx, cæåìng âäü bæïc xaû taïn xaû Etx vaì cæåìng âäü bæïc xaû quang phäø Eqp. - Nàng læåüng bæïc xaû (J/m2) : laì nàng læåüng bæïc xaû màût tråìi truyãön tåïi mäüt âån vë diãûn têch bãö màût trong mäüt khoaíng thåìi gian, nhæ váûy nàng læåüng bæïc xaû laì mäüt âaûi læåüng bàòng têch phán cuía cæåìng âäü bæïc xaû trong mäüt khoaíng thåìi gian nháút âënh (thæåìng laì 1 giåì hay 1 ngaìy). - Giåì màût tråìi : laì thåìi gian dæûa trãn chuyãøn âäüng biãøu kiãún cuía màût tråìi trãn báöu tråìi, våïi quy æåïc giåì màût tråìi chênh ngoü laì thåìi âiãøm màût tråìi âi qua thiãn âènh cuía ngæåìi quan saït. Giåì màût tråìi laì thåìi gian 22