Năng lượng mặt trời - Lý thuyết và ứng dụng (Phần 1) - Nguyễn Bốn

pdf 41 trang ngocly 25/05/2021 860
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Năng lượng mặt trời - Lý thuyết và ứng dụng (Phần 1) - Nguyễn Bốn", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfnang_luong_mat_troi_ly_thuyet_va_ung_dung_phan_1_nguyen_bon.pdf

Nội dung text: Năng lượng mặt trời - Lý thuyết và ứng dụng (Phần 1) - Nguyễn Bốn

  1. PGS. TS. NGUYỄN BỐN TS. HOÀNG DƯƠNG HÙNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI LÝ THUYẾT VÀ ỨNG DỤNG ĐÀ NẴNG, 2004
  2. Chæång 1: VUÎ TRUÛ VAÌ HÃÛ MÀÛT TRÅÌI 1.1. Cáúu taûo, chuyãøn âäüng vaì sæû daîn nåí cuía vuî truû 1.1.1. Cáúu taûo cuía vuî truû Vuî truû maì ta biãút bao gäöm vä säú caïc vç sao. Mäùi vç sao laì mäüt thiãn thãø phaït saïng, nhæ màût tråìi cuía chuïng ta. Quay quanh mäùi vç sao coï caïc haình tinh, caïc thiãn thaûch, sao chäøi, theo nhæîng quyî âaûo ellip láúy sao laìm tiãu âiãøm, nhåì tæång taïc cuía læûc háúp dáùn. Quay quanh mäùi haình tinh coï caïc vãû tinh, caïc vaình âai hoàûc âaïm buûi. Mäùi vç sao taûo ra quanh noï mäüt hãû màût tråìi, nhæ hãû màût tråìi cuía chuïng ta. Haìng tyí hãû màût tråìi tuû laûi thaình mäüt âaïm, do læûc háúp dáùn, taûo ra mäüt thiãn 30000nas HÃÛ MÀÛT TRÅÌI haì. Thiãn haì cuía chuïng ta 15000nas âæåüc goüi laì Ngán haì hay Milky Way, laì mäüt trong säú haìng tyí thiãn haì trong 45000nas vuî truû quan saït âæåüc, thiãn haì cuía chuïng ta gäöm 1011 ngäi sao, coï hçnh Hinh 1.1. Ngán haì vaì hãû màût tråìi âéa deût xoàõn äúc, baïn kênh khoaíng = 45.000nas (nas = nàm aïnh saïng = 365,25x24x60x60x300.000 =9,5.1012km). Mäùi hãû màût tråìi quay quanh tám thiãn haì våïi täúc âäü haìng tràm km/s. Hãû màût tråìi cuía chuïng ta nàòm trãn rça ngoaìi cuía Ngán haì, caïch tám khoaíng 30.000nas, vaì quay quanh tám Ngán haì våïi váûn täúc: vMT= 230km/s. Vuî truû maì ta quan saït âæåüc hiãûn nay chæïa khoaíng 10 tyí thiãn haì, coï baïn kênh 3.1025m, chæïa khoaíng 1020 ngäi sao våïi täøng khäúi læåüng khoaíng 1050kg. 1
  3. 1.1.2. Sæû váûn âäüng vaì daîn nåí cuía vuî truû Âãø täön taûi dæåïi taïc duûng cuía læûc háúp dáùn, caïc thiãn thãø trong vuî truû phaíi chuyãøn âäüng khäng ngæìng. Caïc haình tinh tæû xoay quanh mçnh vaì quay quanh màût tråìi våïi täúc âäü vaìi chuûc km/s, caïc màût tråìi quay quanh tám thiãn haì våïi täúc âäü haìng tràm km/s, caïc thiãn haì quay quanh tám âaûi thiãn haì våïi täúc âäü haìng nghçn km/s. Nàm 1923, khi sæí duûng kênh thiãn vàn vä tuyãún ghi phäø bæïc xaû phaït ra tæì caïc thiãn haì, Edwin Hubble nháûn tháúy caïc vaûch quang phäø luän dëch chuyãøn vãö phêa bæåïc soïng λ daìi, phêa maìu âoí. Hiãûn tæåüng dëch vãö phêa âoí cuía bæïc xaû âæåüc giaíi thêch bàòng hiãûu æïng Doppler, laì do caïc thiãn thãø phaït bæïc xaû âang chuyãøn âäüng ra xa nåi thu bæïc xaû, chuyãøn âäüng råìi xa nhau cuía caïc thiãn haì âæåüc phaït hiãûn tháúy theo moüi phæång, våïi váûn täúc tàng dáön theo khoaíng caïch giæîa chuïng. Nhæ váûy, caïc thiãn thãø trong vuî truû âang råìi xa nhau, vaì vuî truû âang daîn nåí nhæ quaí boïng âang âæåüc thäøi càng ra. 1.1.3. Âënh luáût Hubble Dæûa vaìo thæûc nghiãûm, Edwin Hubble mä taí sæû daîn nåí cuía vuî truû bàòng âënh luáût sau: Moüi thiãn thãø trong vuî truû âang chuyãøn âäüng ra xa ρ ρ ρ nhau våïi váûn täúc ω tyí lãû thuáûn våïi khoaíng caïch r giæîa chuïng: ω = -H. r , våïi H≈ 25km/s.106nas laì hàòng säú Hubble. Thæûc tãú hàòng säú Hubble chæa thãø xaïc âënh chênh xaïc, chè biãút noï nàòm trong khoaíng (15÷30)km/s.106nas. 1.2. Sæû hçnh thaình vuî truû vaì hãû màût tråìi 1.2.1. Thuyãút Big Bang Thæûc nghiãûm cho biãút vuî truû âang daîn nåí, caïc thiãn thãø âang råìi xa nhau. Váûy nãúu âi ngæåüc laûi thåìi gian, caïc thiãn thãø seî tiãún laûi gáön nhau, thãø têch vuî truû seî co dáön laûi. Taûi mäüt thåìi âiãøm naìo âoï, toaìn bäü vuî truû seî co laûi thaình mäüt cháút âiãøm, coï khäúi læåüng, nàng læåüng vaì nhiãût âäü vä cuìng låïn. Dæûa trãn lyï luáûn naìy, George Lemaitre ngæåìi Bè vaì sau âoï George Gamow cuìng Alexandre Priedmann ngæåìi Nga, bàòng caïc pheïp tênh coï cå såí váût lyï âuïng âàõn, âaî nãu ra hoüc thuyãút vãö sæû hçnh thaình cuía vuî truû, goüi laì thuyãút Big Bang. Thuyãút naìy cho ràòng vuî truû âæåüc sinh ra caïch âáy khoaíng 15 tyí nàm tæì mäüt quaí træïng cæûc nhoí, coï khäúi læåüng (M), nàng læåüng (E) vaì nhiãût âäü (T) cæûc låïn båíi mäüt vuû näø låïn goüi laì Big Bang. Vuû 2
  4. näø naìy taûo ra khäng gian - thåìi gian vaì toaìn bäü Vuî truû, theo quaï trçnh daîn nåí nhæ sau: Baíng 1.1. Toïm tàõt lëch sæí cuía Vuî truû Thåìi gian Nhiãût âäü Thaình pháön cuía Vuî truû Âàûc âiãøm cuía Vuî truû τ T (K) τ ≤10-43s T≥1032K Mäüt cháút âiãøm coï M, E, T cæûc 1 siãu læûc, r = 10-35m låïn 10-35s 1027K Chán khäng læåüng tæí, træåìng 2 læûc: Âiãûn haût nhán nàng læåüng âäöng nháút (HN), háúp dáùn (HD) 10-32s 1025K Daîn nåí taûo khäng gian, ngæng 3 læûc: HN, âiãûn tæì (ÂT) kãút vaì HD 10-12s 1015K Nhiãût âäü giaím, taûo haût quarks 3 læûc: HN, ÂT vaì HD 10-6s 1013K Taûo photon, âiãûn tæí, lepton 4 læûc: HN, ÂT, Tæì træåìng yãú vaì HD 3phuït 106K Taûo proton, neutron P = uud, n = udd 5 4 3.10 nàm 10 K Taûo nhán H, He He = 2p2n, haût nhán H 9 2 10 nàm 10 K Taûo khê H2, He, tinh ván vaì caïc Coï khê H2, tinh ván thiãn haì 1010nàm 10 K Taûo màût tråìi, hãû MT, taûo caïc Coï thiãn haì, caïc sao, nguyãn täú nàûng haình tinh 12.109n 7 K Taûo khê quyãøn, luûc âëa, nuïi Taûo nguyãn täú nàûng, sao thæï cáúp, nuïi 14.109 n 5 K Taûo næåïc, âaûi dæång, vi khuáøn, Coï næåïc, âaûi dæång, sinh taío, sinh váût váût 15.109n 3 K Taûo âäüng váût, khè, ngæåìi Sinh váût cao, khè, ngæåìi 1.2.2. Sæû hçnh thaình hãû màût tråìi Mäüt tyí nàm sau vuû näø Big Bang, Vuî truû daîn nåí laìm nhiãût âäü giaím âãún 100K. Luïc naìy caïc nhán H, He kãút håüp våïi âiãûn tæí taûo ra phán tæí khê H2, He. Caïc khê naìy quáy tuû thaình tæìng âaïm trong thiãn haì. Tæì mäùi âaïm buûi naìy, do taïc duûng cuía læûc háúp dáùn, seî dáön dáön hçnh thaình mäüt hãû màût tråìi. Hãû màût tråìi cuía ta thuäüc thãú hãû thæï 3, âæåüc sinh ra tæì mäüt âaïm máy buûi vaì khê coï kêch thæåïc haìng ngaìn tyí kilämeït. 3
  5. (a) (b) (c) Hçnh 1.2. Sæû hçnh thaình hãû màût tråìi. Dæåïi taïc duûng cuía læûc háúp dáùn, âaïm máy bàõt âáöu co laûi, deût âi, vaì tám cuía noï tråí nãn âàûc vaì noïng dáön, âãún mæïc coï thãø khåíi phaït caïc phaín æïng haût nhán vaì tråí thaình màût tråìi. Khê vaì buûi êt âàûc hån phêa ngoaìi seî quay quanh màût tråìi, kãút thaình caïc vaình âai, ngæng tuû thaình caïc haình tinh vaì tiãøu haình tinh. Pháön khê loaîng quanh haình tinh cuîng ngæng kãút theo caïch tæång tæû âãø taûo ra caïc vãû tinh quay quanh haình tinh. 1.2.3. Cáúu taûo vaì caïc thäng säú cuía hãû màût tråìi Hãû màût tråìi gäöm coï màût tråìi vaì 9 haình tinh quay quanh noï, theo caïc quyî âaûo ellip gáön troìn. Voìng trong coï 4 haình tinh daûng ràõn laì sao Thuíy, sao Kim, quaí Âáút, sao Hoía, voìng ngoaìi coï 5 haình tinh daûng khê laì sao Mäüc, sao Thäø, sao Thiãn Væång, sao Haíi Væång, sao Diãm Væång. Giæîa sao Hoía vaì sao Mäüc coï mäüt vaình âai gäöm caúc tiãøu haình tinh våïi âæåìng kênh tæì vaìi chuûc meït tåïi vaìi tràm kilämeït. 4
  6. Caïc haình tinh âãöu coï tæì 1 âãún 22 vãû tinh, træì sao Thuíy vaì sao Kim. Ngoaìi ra coìn coï mäüt säú sao chäøi, gäöm mäüt nhán ràõn chæïa buûi vaì næåïc âaï våïi mäüt âuäi håi næåïc keïo daìi haìng triãûu kilämeït quay quanh màût tråìi theo quyî âaûo ellip ráút deût. Baíng 1.2 .Caïc thäng säú cuía caïc thiãn thãø trong hãû màût tråìi Tãn thiãn thãø M d ρ r t g τn τN v Thaình Säú 1024 106 103 1011 0C m/s ngaìy nàm km/h pháön vãû kg m kg/m3 m (n) (N) tinh Màût tråìi-Sun 2.106 1391 1,4 0 6000 274 26n - (618) H, He (65) Thuíy - Mercury 0,33 4,88 5,7 0,58 173 3,78 58n 88n 48 Fe, Si 0 Kim - Venus 4,57 12,1 5,3 1,08 54 8,60 243n 225n 35 Fe Si 0 Âáút - Earth 5,98 12,76 5,5 1,50 5 9,81 1n 365,25n 30 Fe Si 1 Hoía - Mars 0,64 6,79 4,0 2,27 -50 3,72 1n 687n 24 Fe Si 2 Mäüc - Jupiter 1900 143 1,3 7,77 -150 22,8 9h 11N 13 H, He 16 Thä ø- Saturn 598 121 0,7 14,3 -180 9,05 10h 30N 10 H, He 22 ThVæång-Uranus 87 51 1,6 28,7 -214 7,77 10h 84N 7 H, He 15 HVæång-Neptune 103 50 1,7 45,0 -220 11,0 15h 165N 5 CH4,NH3 8 DVæång-Pluto 5,5 2,3 2,03 59,1 -230 4,37 6n 248N 4,7 H2O,Si 1 Tràng-Moon 0,073 3,47 3,4 3,74 -170 1,63 27n 365,25 (1) Fe Si - .10-3 +130 7h43’ 1.2. 4. Tæång lai cuía vuî truû Trãn cå såí cuía váût lyï thiãn vàn hiãûn âaûi, coï thãø dæû baïo tæång lai cuía vuî truû theo mäüt trong ba këch baín sau vaì phuû thuäüc vaìo máût âäü trung bçnh ρ cuía vuî truû, laì mäüt thäng säú hiãûn nay chæa xaïc âënh chênh xaïc, so -27 3 våïi máût âäü tåïi haûn ρ0= 5.10 kg/m , bàòng cåî ba nguyãn tæí hidro trong 1 m3. 1- Nãúu ρ < ρ0 thç váût thãø daîn nåí khäng giåïi haûn, baïn kênh r tàng âãún vä cuìng, nhiãût âäü tiãún tåïi 0oK, goüi laì mä hçnh váût thãø måí. Theo këch baín naìy, Màût tråìi cuía chuïng ta seî tàõt hàón sau hån 5 tyí nàm næîa, biãún thaình mäüt xaïc sao sàõt hçnh cáöu. Caïc thãú hãû sao liãn tiãúp âæåüc sinh ra, tiãu huíy hãút caïc haût nhán nheû. Sau 1012 nàm, táút caí moüi ngäi sao âãöu tàõt, vuî truû seî laì mäüt khäng gian bao la, âen täúi vaì laûnh leîo, chæïa caïc xaïc sao daûng quaí cáöu sàõt, neutron hoàûc läù âen vaì caïc haình tinh laûnh. 5
  7. Sau 1018 nàm, dæåïi taïc âäüng láu daìi cuía læûc háúp dáùn, mäùi thiãn haì seî bë phán huíy thaình caïc xaïc sao tæû do vaì mäüt läù âen thiãn haì, coï âæåìng 9 3 kênh haìng tyí km vaì khäúi læåüng cåî 10 .M0 (Mo = 2.10 kg laì khäúi læåüng màût tråìi) Sau 1027 nàm, caïc läù âen trong caïc âaïm thiãn haì seî phán huíy thaình caïc siãu thiãn haì. Vuî truû tiãúp tuûc daîn nåí, nhiãût âäü haû tháúp âãún 10-10 K, âuí laûnh âãø caïc läù âen bàõt âáöu bay håi. Caïc läù âen cåî màût tråìi seî bay håi hãút sau 1062 nàm, läù âen thiãn haì biãún máút sau 1092 nàm, vaì läù âen siãu thiãn haì seî bay håi hãút thaình aïnh saïng sau 10100 nàm. Luïc naìy Vuî truû chè coìn caïc quaí cáöu sàõt, neutron vaì caïc haình tinh læu laûc trong khäng gian bao la, âen täúi, nhiãût âäü cåî10-60 K. Sau 101500 nàm, nhiãût âäü vuî truû laì 10-1000 K, toaìn bäü váût cháút åí ngoaìi caïc sao neutron seî co laûi thaình caïc quaí cáöu sàõt. Tiãúp theo âoï, caïc sao neutron vaì quaí cáöu sàõt seî co laûi thaình caïc läù âen. Caïc läù âen cuäúi cuìng seî bay håi hãút thaình aïnh saïng sau 1010exp70 nàm. Hçnh boïng cuäúi cuìng cuía Vuî truû laì mäüt khoaíng khäng vä haûn chæïa caïc haût photon vaì neutrino, coï máût âäü vaì nhiãût âäü tiãún dáön tåïi khäng. Theo nhæîng thäng tin måïi nháút, Vuî truû cuía ta coï thãø phaït triãøn theo këch baín naìy. 2- nãúu ρ = ρ0 thç Vuî truû seî daîn nåí cháûm dáön, tiãún tåïi mäüt baïn kênh äøn âënh sau thåìi gian láu vä haûn goüi laì mä hçnh Vuî truû phàóng. Caïc quaï trçnh trong Vuî truû phàóng tæång tæû nhæ trong Vuî truû måí, nhæng xaíy ra cháûm dáön vaì tiãún tåïi äøn âënh luïc thåìi gian tiãún âãún vä cuìng. 3- Nãúu ρ > ρ0 thç Vuî truû seî daîn nåí cháûm dáön, âaût baïn kênh r cæûc âaûi, sau âoï co laûi ngaìy caìng nhanh, taûo ra vuû suûp âäø låïn, goüi laì Big Crunch. Këch baín naìy goüi laì mä hçnh Vuî truû kên. Gia täúc vaì thåìi gian nåí - co seî phuû thuäüc tè säú ρ/ρ0. Theo tênh toaïn, Vuî truû coï ρ/ρ0=2 seî xaíy ra caïc quaï trçnh sau : Quaï trçnh daîn nåí cháûm dáön, xaíy ra trong khoaíng 50 tyí nàm. Màût tråìi cuía ta seî diãùn tiãúp këch baín nhæ trong Vuî truû måí. Caïc vç sao tiãúp tuûc sinh ra vaì chãút âi, nhiãût âäü Vuî truû giaím dáön. Vaìo nàm thæï 50 tyí, Vuî truû coï baïn kênh cæûc âaûi, gáúp ba láön hiãûn nay, nhiãût âäü bàòng 1 K, luïc naìy læûc háúp dáùn cán bàòng våïi læûc daîn nåí do Big Bang taûo ra, quaï trçnh daîn nåí dæìng laûi. Sau âoï quaï trçnh co laûi âæåüc khåíi âäüng, caïc thiãn thãø bàõt âáöu råi vãö phêa nhau, våïi gia täúc tàng dáön. Nàm thæï 99 tyí, Vuî truû co laûi coìn 1/5 kêch thæåïc hiãûn nay, luïc âoï caïc âaïm thiãn haì seî håüp laûi thaình mäüt âaïm duy nháút. Vuî truû co tiãúp 900 triãûu nàm sau âoï, caïc thiãn haì håüp nháút, taûo ra mäüt khäng gian bàòng 6
  8. 1/100 kêch thæåïc Vuî truû hiãûn nay, våïi nhiãût âäü nãön T≈ 300K, chæïa âáöy caïc sao. Sau âoï 99 triãûu nàm, Vuî truû co laûi coìn 1/1000 kêch thæåïc hiãûn nay vaì nhiãût âäü nãön T=3000K. Sau 900.000 nàm næîa, nhiãût âäü Vuî truû âaût T=104K, caïc sao bàõt âáöu bay håi, caïc nguyãn tæí bë phán huíy thaình caïc haût nhán vaì âiãûn tæí, chiãúm âáöy khäng gian. Vuî truû luïc naìy laì mäüt váût âuûc duy nháút, nhæ luïc 300.000 nàm âáöu tiãn cuía noï. 90.000 nàm tiãúp theo, vuî truû âaût nhiãût âäü 107K, gáy phaín æïng haût nhán trong caïc sao, laìm näø trong caïc sao. Nhiãût âäü tiãúp tuûc tàng laìm caïc haût nhán phán huíy thaình proton vaì neutron, caïc läù âen huït nhau vaì huït caïc váût cháút xung quanh. Sau 103 nàm tiãúp theo, nhiãût âäü Vuî truû âaût T >1012K, phaï huyí caïc proton, neutron âãø taûo ra moïn xuïp noïng gäöm caïc haût quarks, neutrino vaì caïc phaín haût. Mäüt nàm sau âoï, laì nàm cuäúi cuìng, Vuî truû co laûi âãún âæåìng kênh r =10-30cm, nhiãût âäü T=1032K, nhæ luïc khåíi âáöu Big Bang, taûo ra vuû Big Crunch. Caïc quaï trçnh sáu xa hån khäng thãø ngoaûi suy theo caïc âënh luáût váût lyï âaî biãút. Ráút coï thãø, sau khi co tåïi traûng thaïi tåïi haûn cæûc nhoí naìo âoï, Vuî truû laûi buìng phaït mäüt phaín æïng tæïc thåìi biãún toaìn bäü váût cháút thaình nàng læåüng, taûo ra vuû Big Bang måïi, làûp laûi chu kyì tiãúp theo cuía Vuî truû. 9 [10 nas] åí m T V ο < ρ ρ VT phàóng ρ = ρο VT kên ρ =2ρο τ 0 9 15 50 100 [10 nàm] Big bang Big crunch Hçnh 1.3 - Tæång lai cuía vuî truû 7
  9. 1.3. Màût tråìi, cáúu taûo 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 = 30 2.10 kg. Nhiãût âäü To trung tám màût tråìi thay âäøi trong khoaíng tæì 10.106K âãún 20.106K, trung bçnh Hçnh 1.4 Bãö ngoaìi cuía Màût tråìi 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. Vãö cáúu truïc, màût tråìi coï thãø chia lamì 4 vuìng, táút caí håüp thaình mäüt khäúi cáöu khê khäøng läö. Vuìng giæîa goüi laì nhán hay “loîi” coï nhæîng chuyãøn âäüng âäúi læu, nåi xaíy ra nhæîng phaín æïng nhiãût haût 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. 8
  10. Hçnh 1.5. Cáúu truïc cuía màût tråìi. Nhiãût âäü bãö màût cuía màût tråìi khoaíng 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 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 Hydro. Váût cháút cuía màût tråìi bao gäöm chæìng 92,1% laì Hydro vaì gáön 7,8% laì Hãli, 0,1% laì caïc nguyãn täú khaïc. Nguäön nàng læåüng bæïc xaû chuí yãúu cuía màût tråìi laì do phaín æïng nhiãût haûch täøng håüp haût nhán Hydro, phaín æïng naìy âæa âãún sæû taûo thaình Hãli. Haût nhán cuía Hydro 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. 1 4 4H1 → He2 + 2 Neutrino + γ 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. 9
  11. 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). 1.3. Caïc phaín æïng haût nhán vaì sæû tiãún hoïa cuía màût tråìi 1.3.1. Phán bäú nhiãût âäü vaì aïp suáút trong màût tråìi Dæåïi taïc duûng cuía læûc háúp dáùn, hæåïng vãö tám khäúi khê hçnh cáöu cuía màût tråìi, aïp suáút, nhiãût âäü vaì máût âäü khê quyãøn seî tàng dáön. Âãø tçm caïc haìm phán bäú nhiãût âäü T(r), aïp suáút p(r) vaì khäúi læåüng riãng ρ(r) taûi baïn kênh r, ta seî xeït mäüt phán täú hçnh truû dV=S.dr khê Hydro cuía màût tråìi, thoía maîn caïc giaí thiãút sau: (1) Laì khê lyï tæåíng, nãn coï quan hãû pv=RT. (2) Laì âæïng yãn, nãn coï cán bàòng giæîa troüng læûc vaì caïc aïp læûc lãn 2 âaïy : p.S - (p + dp).S - gρSdr =0 (3) Laì âoaûn nhiãût, nãn theo âënh luáût nhiãût âäüng 1, coï: δq = CpdT - vdp = 0 dT v Theo (3) coï = , p+dp dp C p dp S theo (2) coï = −ρ.g , dr dr dT dT dp − vρg − g do âoï coï = . = = dr dp dr Cp Cp r T T r − g g p Suy ra dT = dr hay T(r) = T - r ∫ ∫ 0 ρgSdr To 0 Cp Cp dp − g − gp Vaì tæì = −ρg = = O Topovo dr v RT bàòng caïch láúy têch phán: Hçnh 1.6 - Âãø tçm T(r),p(r) ⎧ − gr ⎪ khi coi T = const p r RT dp p − g ⎪ r = ln = dr = − g dr Cp g ∫ ∫ ⎨ = ln(1− r) p p0 RT p0 0 ⎪ ∫ g R 0 R CpT0 ⎪ T0 − r ⎩ Cp 10
  12. Tæì âoï suy ra: ⎧ ⎛ − gr ⎞ ⎜ ⎟ ⎪ p0 exp⎜ ⎟ Khi coi T = T0 =const ⎪ ⎝ RT0 ⎠ p(r) = ⎨ Cp ⎪ ⎛ gr ⎞ R ⎛ g ⎞ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎪ p0 ⎜1− ⎟ Khi coi T = T0 − ⎜ ⎟r ⎩ ⎝ CpT0 ⎠ ⎝ Cp ⎠ Phán bäú khäúi læåüng riãng ρ(r) seî coï daûng: Cv R p(r) p0 ⎛ gr ⎞ ρ(r) = = ⎜1− ⎟ RT (r) RT0 ⎝ CpT0 ⎠ Nhiãût âäü T0 taûi tám màût tråìi coï thãø tênh theo nhiãût âäü bãö màût: D T(r = = 7.108m) = 5762K 2 30 M −11 2.10 2 Gia täúc troüng læûc: g = G 2 = 6,673.10 2 = 274m / s r ()7.108 i + 2 Rµ 7 8314 Nhiãût dung riãng cuía hydro Cp= = . = 14550 J / kgK , 2 µ 2 2 Nhiãût âäü tám màût tråìi coï thãø xaïc âënh theo cäng thæïc: g T = T(r) + r = 13,2.106 K 0 Cp K T Gbar p Tg/m³ ρ 13,200 250 2,1 10,000 5,76 r r r 0 1,7 7 8 0 0 10 m Hçnh 1.7. Phán bäú T(r), p(r) vaì khäúi læåüng riãng ρ(r) 1.3.2. Caïc phaín æïng haût nhán trong màût tråìi 1.3.2.1. Phaín æïng täøng håüp haût nhán Hãli Trong quaï trçnh hçnh thaình, nhiãût âäü bãn trong màût tråìiseî 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 Hydrä, theo phæång trçnh : 4H1 → He4 + q. 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, 11
  13. 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 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 hydro, giaím khäúi læåüng ∆m = 4,2 triãûu táún vaì phaït ra nàng læåüng Q = 3,8.1026W. Muäún âaût nhiãût âäü taûi tám âuí cao âãø thaình mäüt ngäi sao, thiãn thãø 30 cáön coï khäúi læåüng M ≥ 0,08M0, våïi M0 = 2.10 kg laì khäúi læåüng màût tråìi. Thåìi gian xaíy ra phaín æïng täøng håüp Heli nàòm trong khoaíng (108÷1010)nàm, giaím dáön khi khäúi læåüng ngäi sao tàng. Khi khäúi læåüng sao caìng låïn nhiãût âäü vaì aïp suáút cuía phaín æïng âuí cán bàòng læûc háúp dáùn caìng låïn, khiãún täúc âäü phaín æïng tàng, thåìi gian chaïy Hydro giaím. Giai âoaûn âäút Hydro cuía màût tråìi âæåüc khåíi âäüng caïch âáy 4,5 tyí nàm, vaì coìn tiãúp tuûc trong khoaíng 5,5 tyí nàm næîa. 1.3.2.2. 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 Phaín æïng naìy xaíy ra åí nhiãût âäü cao, täúc âäü låïn, nãn thåìi gian chaïy He chè bàòng1/30 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 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 1 haình tinh noïng chaíy, kãút thuïc sæû säúng taûi âáy. Kãút thuïc quaï trçnh chaïy Heli, 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 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 12
  14. Caïc phaín æïng trãn âaî taûo ra hån 20 nguyãn täú, táûn cuìng laì sàõt 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 sàõt Fe56, chuäùi phaín æïng haût nhán trong ngäi sao kãút thuïc, vç viãûc täøng håüp sàõt thaình nguyãn täú nàûng hån khäng coï âäü huût khäúi læåüng, khäng phaït sinh nàng læåüng, maì cáön phaíi cáúp thãm nàng læåüng. 1.3.3. Sæû tiãún hoïa cuaí màût tråìi Sau khi taûo ra sàõt, caïc phaín æïng haût nhán sinh nhiãût tàõt hàón, læûc háúp dáùn tiãúp tuûc neïn màût tråìi cho âãún “chãút”. Quaï trçnh hoaï thán cuía màût tråìi phuû thuäüc cæåìng âäü læûc háúp dáùn, tæïc laì tuyì thuäüc vaìo khäúi læåüng cuía noï, theo mäüt trong ba këch baín nhæ sau: 1- Caïc sao coï khäúi læåüng M∈ (0,7 ÷ 1,4)M0: Sau khi hãút nhiãn liãûu, tæì mäüt sao âoí khäøng läö âæåìng kênh 100.106 km co laûi thaình sao luìn tràõng âæåìng kênh cåî 1500 km, laì traûng thaïi dæìng khi læûc háúp dáùn cán bàòng våïi aïp læûc taûo ra khi caïc nguyãn tæí âaî eïp saït laûi nhau, coï khäúi læåüng riãng cåî 1012 kg/m3. Nhiãût sinh ra khi neïn laìm nhiãût âäü bãö màût sao âaût tåïi 6000K, sau âoï toía nhiãût vaì nguäüi dáön trong mäüt tè nàm thaình sao luìn âen hay sao sàõt, nhæ mäüt xaïc sao khäng tháúy âæåüc lang thang trong vuî truû. Màût tråìi hoaï kiãúp theo kiãøu naìy. 2- Caïc sao coï khäúi læåüng M ∈ (1,4 ÷5)M0: Læûc háúp dáùn âuí maûnh âãø eïp naït nguyãn tæí, eïp caïc haût nhán laûi saït nhau, laìm troïc hãút låïp voí âiãûn tæí, taûo ra mäüt khäúi gäöm toaìn neutron eïp saït nhau vaì goüi laì sao neutron, coï âæåìng kênh cåî 15 km vaì máût âäü 1018kg/m3. Quaï trçnh co laûi våïi gia täúc låïn vaì bë chàûn âäüt ngäüt taûi traûng thaïi neutron, taûo ra mäüt cháún âäüng dæî däüi, gáy ra vuû näø siãu sao måïi, goüi laì supernova, phaït ra nàng læåüng bàòng tràm triãûu láön nàng læåüng màût tråìi, laìm bàõn tung toaìn bäü caïc låïp ngoaìi cuía sao gäöm âuí caïc loaûi nguyãn täú. Låïp váût liãûu bàõn ra seî taûo thaình caïc âaïm buûi vuî truû thæï cáúp, âãø hçnh thaình caïc sao thæï cáúp sau âoï. Sao neutron måïi taûo ra, coìn goüi laì pulsar, seî tæû quay våïi täúc âäü khoaíng 630 voìng/s vaì phaït bæïc xaû ráút maûnh doüc truûc, phaït taïn hãút nàng læåüng sau vaiì triãûu nàm vaì seî hãút quay, tråí thaình mäüt xaïc chãút trong vuî truû. 3- Caïc sao coï khäúi læåüng M≥ 5M0: Quaï trçnh täøng håüp caïc haût nhán nàûng âæåüc gia täúc, xaíy ra ráút nhanh. Sau khi hãút nhiãn liãûu, do læûc háúp dáùn quaï låïn, sao suûp âäø våïi gia täúc låïn, co laûi liãn tuûc, khäng dæìng laûi åí traûng thaïi neutron, âaût tåïi baïn 2GM kênh Schwarzschild R = , taûo thaình mäüt läù âen, keìm theo mäüt vuû näø C 2 13
  15. siãu sao måïi. Läù âen coï khäúi læåüng riãng khoaíng 1023 kg/m3, taûo ra træåìng háúp dáùn ráút maûnh, laìm cong khäng gian xung quanh tåïi mæïc váût cháút kãø caí aïnh saïng cuîng khäng thãø thoaït ra âæåüc. Moüi thiãn thãø âãún gáön âãöu bë cuäún huït nhæ mäüt xoaïy næåïc khäøng läö. Nãúu âæåüc neïn âãún traûng thaïi läù âen, âaût tåïi baïn kênh háúp dáùn, thç baïn kênh Quaí âáút chè bàòng 3cm, baïn kênh màût tråìi laì 3 km. 1.4. Tr¸i ®Êt, cÊu t¹o cña tr¸i ®Êt 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 näø tàng lãn hangì 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 âuí nguäüi âãø Silicat näøi lãn trãn 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. Tr¸i ®Êt, hµnh tinh thø 3 tÝnh tõ mÆt trêi, cïng víi mÆt tr¨ng mét vÖ tinh duy Hçnh 1.8. Traïi âáút nhÊt t¹o ra mét hÖ thèng hµnh tinh kÐp ®Æc biÖt. Tr¸i ®Êt lµ hµnh tinh lín nhÊt trong sè c¸c hµnh tinh bªn trong cña hÖ mÆt trêi víi ®−êng kÝnh ë xÝch ®¹o 12.756 km. Nh×n tõ kh«ng gian, tr¸i ®Êt cã mµu xanh, n©u vµ xanh l¸ c©y víi nh÷ng ®¸m m©y tr¾ng th−êng xuyªn 14
  16. thay ®æi. BÒ mÆt tr¸i ®Êt cã mét ®Æc tÝnh mµ kh«ng mét hµnh tinh nµo kh¸c cã: hai tr¹ng th¸i cña vËt chÊt cïng tån t¹i bªn nhau ë c¶ thÓ r¾n vµ thÓ láng. Vïng ranh giíi gi÷a biÓn vµ ®Êt liÒn lµ n¬i duy nhÊt trong vò trô cã vËt chÊt hiÖn h÷u æn ®Þnh trong c¶ 3 thÓ r¾n, láng vµ khÝ. 3 300 Nhán ràõn - Fe, Ni 1000 Nhán loíng - Fe, Ni 2000 Låïp bao (magma) - Fe, Ni 4000 km Låïp voí - SiO, H O2 1300 3500 6375 7200 0 6750 r Khê quyãøn - N 2 , O 2 , H O,2 CO 2 Hçnh 1.9. Cáúu taûo bãn trong traïi âáút Vãö cáúu taûo, bãn trong traïi âáút âæåüc chia ra 4 låïp. Trong cuìng laì nhán trong, coï baïn kênh r ≤ 1300km, nhiãût âäü T ≥ 4000K, gäöm Sàõt vaì Niken bë neïn cæïng. Tiãúp theo laì nhán ngoaìi, coï r ∈ (1300 ÷ 3500)km, nhiãût âäü T ∈ (2000 ÷ 4000)K, gäöm Sàõt vaì Niken loíng. Kãú tiãúp laì låïp magma loíng, chuí yãúu gäöm SiO vaì Sàõt, coï r ∈ (3500 ÷ 6350)km, nhiãût âäü T ∈ (1000 ÷ 2000)K. Ngoaìi cuìng laì låïp voí cæïng daìy trung bçnh 25 km, coï nhiãût âäü T ∈ (300 ÷ 1000)K, chuí yãúu gäöm SiO vaì H2O. Låïp voí naìy gäöm 7 maíng låïn vaì hån 100 maíng nhoí gheïp laûi, chuïng träi træåüt vaì va âáûp nhau, gáy ra âäüng âáút vaì nuïi læía, laìm thay âäøi âëa hçnh. Hµnh tinh tr¸i ®Êt di chuyÓn trªn mét quü ®¹o gÇn ellip, mÆt trêi kh«ng ë t©m cña ellip, mµ lµ t¹i mét trong 2 tiªu ®iÓm. Trong thêi gian mét n¨m, cã khi tr¸i ®Êt gÇn, cã khi xa mÆt trêi ®«i chót, v× quü ®¹o ellip cña nã gÇn nh− h×nh trßn. Hµng n¨m, vµo th¸ng giªng, tr¸i ®Êt gÇn mÆt trêi h¬n so víi vµo th¸ng 7 kho¶ng 5 triÖu km, sù sai biÖt nµy qu¸ nhá so víi kho¶ng c¸ch mÆt trêi ®Õn tr¸i ®Êt. Chóng ta kh«ng c¶m nhËn ®−îc sù kh¸c biÖt nµy trong mét vßng quay cña tr¸i ®Êt quanh mÆt trêi, hay trong mét n¨m, sù kh¸c biÖt vÒ kho¶ng c¸ch nµy hÇu nh− kh«ng ¶nh h−ëng g× 15
  17. ®Õn mïa ®«ng vµ mïa hÌ trªn tr¸i ®Êt, chØ cã ®iÒu lµ vµo mïa ®«ng chóng ta ë gÇn mÆt trêi h¬n so víi mïa hÌ chót Ýt. Tr¸i ®Êt chuyÓn ®éng quanh mÆt trêi, ®ång thêi nã còng tù quay quanh trôc cña nã. Trong thêi gian quay mét vßng quanh mÆt trêi, tr¸i ®Êt quay 365 vµ 1/4 vßng quanh trôc. ChuyÓn ®éng quay quanh mÆt trêi t¹o nªn bèn mïa, chuyÓn ®éng quay quanh trôc t¹o nªn ngµy vµ ®ªm trªn tr¸i ®Êt. Trôc quay cña tr¸i ®Êt kh«ng th¼ng gãc víi mÆt ph¼ng quü ®¹o, bëi thÕ chóng ta cã mïa ®«ng vµ mïa hÌ. Tr¸i ®Êt quay, v× thÕ ®èi víi chóng ta ®øng trªn tr¸i ®Êt cã vÎ nh− c¸c v× sao cè ®Þnh ®−îc g¾n chÆt víi qu¶ cÇu bÇu trêi quay xung quanh chóng ta. ChuyÓn ®éng quay cña tr¸i ®Êt kh«ng qu¸ nhanh ®Ó lùc ly t©m cña nã cã thÓ b¾n chóng ta ra ngoµi kh«ng gian. Lùc ly t©m t¸c dông lªn mäi vËt cïng quay theo tr¸i ®Êt, nh−ng v« cïng nhá. Lùc ly t©m lín nhÊt ë xÝch ®¹o nã kÐo mäi vËt thÓ lªn phÝa trªn vµ lµm chóng nhÑ ®i chót Ýt. V× thÕ, mäi vËt thÓ ë xÝch ®¹o c©n nhÑ h¬n n¨m phÇn ngµn so víi ë hai cùc. HËu qu¶ cña chuyÓn ®éng quay lµm cho tr¸i ®Êt kh«ng cßn ®óng lµ qu¶ cÇu trßn ®Òu n÷a mµ lùc ly t©m lµm cho nã ph×nh ra ë xÝch ®¹o mét chót. Sù sai kh¸c nµy thùc ra kh«ng ®¸ng kÓ, b¸n kÝnh tr¸i ®Êt ë xÝch ®¹o lµ 6.378.140km, lín h¬n kho¶ng c¸ch tõ 2 cùc ®Õn t©m tr¸i ®Êt lµ gÇn 22km. Sù sèng vµ c¸c ®¹i d−¬ng cã kh¶ n¨ng t¹o ra sù sèng chØ hiÖn h÷u duy nhÊt trªn tr¸i ®Êt. Trªn c¸c hµnh tinh kh¸c gÇn chóng ta nhÊt nh− sao Kim th× qu¸ nãng vµ sao Háa qu¸ l¹nh. N−íc trªn sao Kim nay ®· bèc thµnh h¬i n−íc, cßn n−íc trªn sao Ho¶ ®· ®ãng thµnh b¨ng bªn d−íi bÒ mÆt cña nã. ChØ cã hµnh tinh cña chóng ta lµ phï hîp cho n−íc ë thÓ láng víi nhiÖt ®é tõ 0 ®Õn 100oC. Xung quanh traïi âáút coï låïp khê quyãøn daìy khoaíng H = 800 km 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: Cp/R p(y) = p0.(1 - (g/(Cp.T0)).y) Cv/R ρ(y) = ρ0(1 - (g/(Cp.T0)).y) . KhÝ quyÓn t¸c ®éng ®Õn nhiÖt ®é trªn hµnh tinh cña chóng ta. C¸c vô phun trµo nói löa cïng víi c¸c ho¹t ®éng cña con ng−êi lµm ¶nh h−ëng ®Õn c¸c thµnh phÇn cÊu t¹o cña khÝ quyÓn. V× thÕ, hÖ sinh th¸i trªn hµnh tinh chóng ta lµ kÕt qu¶ cña sù c©n b»ng mong manh gi÷a c¸c ¶nh h−ëng kh¸c nhau. Trong qu¸ khø, hÖ sinh th¸i nµy lµ mét hÖ thèng c©n b»ng tù ®iÒu chØnh, nh−ng ngµy nay do t¸c ®éng cña con ng−êi cã thÓ ®ang lµ nguyªn nh©n lµm v−ît qua tr¹ng th¸i c©n b»ng nµy. 16
  18. Líp kh«ng khÝ bao quanh tr¸i ®Êt cã thÓ tÝch kho¶ng 270 triÖu km3 vµ nÆng kho¶ng 5.300 tû tÊn ®Ì lªn th©n thÓ chóng ta. Nh÷ng g× mµ chóng ta c¶m nhËn ®−îc chØ x¶y ra trong tÇng thÊp nhÊt, cao kho¶ng 18km cña cét kh«ng khÝ khæng lå nµy, tuy nhiªn, phÇn nhá nµy l¹i ®ãng vai trß quan träng nhÊt ®èi víi sù sèng trªn hµnh tinh cña chóng ta. Trong kh«ng khÝ chøa kho¶ng 78% ph©n tö nit¬ vµ 21% oxy cïng víi 1% argon vµ mét sè chÊt khÝ kh¸c vµ h¬i n−íc trong ®ã cã kho¶ng 0,03% khÝ c¸cbonic. MÆc dÇu hµm l−îng khÝ c¸cbonic rÊt nhá, nh−ng l¹i ®ãng mét vai trß quan träng ®èi víi sù sèng trªn tr¸i ®Êt. Cµng lªn cao ¸p suÊt kh«ng khÝ gi¶m vµ nhiÖt ®é còng thay ®æi rÊt nhiÒu, tuy nhiªn nhiÖt ®é cña kh«ng khÝ kh«ng h¹ xuèng mét c¸ch ®¬n gi¶n khi chóng ta tiÕn ra ngoµi kh«ng gian, nhiÖt ®é kh«ng khÝ gi¶m vµ t¨ng theo mét chu tr×nh nhÊt ®Þnh. NhiÖt ®é ë mçi tÇng t−¬ng øng víi møc tÝch tô vµ lo¹i n¨ng l−îng t¸c ®éng trong tÇng ®ã. KhÝ quyÓn cña tr¸i ®Êt cã thÓ chia lµm 4 tÇng, trong ®ã mçi tÇng cã mét kiÓu c©n b»ng n¨ng l−îng kh¸c nhau. TÇng d−íi cïng nhÊt gäi lµ tÇng ®èi l−u (Troposphere) tÇng nµy bÞ chi phèi bëi ¸nh s¸ng kh¶ kiÕn vµ Hçnh 1.10. Sæû thay âäøi nhiãût âäü theo âäü cao cuía caïc táöng khê quyãøn 17
  19. tia hång ngo¹i, gÇn 95% tæng sè khèi l−îng vµ toµn bé n−íc trong khÝ quyÓn ph©n bè trong tÇng nµy tÇng ®èi l−u cao chØ kho¶ng 14km. GÇn nh− toµn bé sù trao ®æi n¨ng l−îng gi÷a khÝ quyÓn vµ tr¸i ®Êt x¶y ra trong tÇng nµy. MÆt ®Êt vµ mÆt biÓn bÞ h©m nãng lªn bëi ¸nh n¾ng mÆt trêi. NhiÖt ®é trung b×nh trªn bÒ mÆt tr¸i ®Êt kho¶ng 15oC, bøc x¹ nhiÖt ®ãng vai trß ®iÒu tiÕt tù nhiªn ®Ó gi÷ cho nhiÖt ®é trªn mÆt ®Êt chØ thay ®æi trong mét d¶i tÇng hÑp. Theo lý thuyÕt, cµng lªn cao nhiÖt ®é cµng gi¶m T(y) = T0 - (g/Cp).y, nh−ng trong thùc tÕ th× kh«ng ®óng nh− vËy. Trªn tÇng ®èi l−u lµ tÇng b×nh l−u (Stratosphere), t¹i ®©y nhiÖt ®é b¾t ®Çu t¨ng trë l¹i. NhiÖt ®é t¹i vïng chuyÓn tiÕp gi÷a vïng ®èi l−u vµ vïng b×nh l−u kho¶ng -50oC, cµng lªn cao nhiÖt ®é l¹i t¨ng dÇn, t¹i ranh giíi cña tÇng b×nh l−u cã ®é cao kho¶ng 50km nhiÖt ®é t¨ng lªn kho¶ng 0oC. Nguyªn nh©n g©y ra hiÖn t−îng nµy lµ v× c¸c ph©n tö oxy (O2) vµ ozon (O3) hÊp thô mét phÇn c¸c tia cùc tÝm ®Õn tõ MÆt trêi (90% ozon trong khÝ quyÓn chøa trong tÇng b×nh l−u). NÕu tÊt c¶ c¸c tia cùc tÝm nµy cã thÓ ®Õn mÆt ®Êt th× sù sèng trªn tr¸i ®Êt cã nguy c¬ bÞ hñy diÖt. Mét phÇn nhá tia cùc tÝm bÞ hÊp thô bëi O2 trong tÇng b×nh l−u, qu¸ tr×nh nµy t¸ch mét ph©n tö O2 thµnh 2 nguyªn tö O, mét sè nguyªn tö O ph¶n øng víi ph©n tö O2 kh¸c ®Ó t¹o thµnh O3. MÆc dÇu chØ mét phÇn triÖu ph©n tö trong khÝ quyÓn lµ ozon nh−ng c¸c ph©n tö Ýt ái nµy cã kh¶ n¨ng hÊp thô hÇu hÕt ¸nh s¸ng cùc tÝm tr−íc khi chóng ®Õn ®−îc mÆt ®Êt. C¸c photon trong ¸nh s¸ng cùc tÝm chøa n¨ng l−îng lín gÊp 2 ®Õn 3 lÇn c¸c photon trong ¸nh s¸ng kh¶ kiÕn, chóng lµ mét trong c¸c nguyªn nh©n g©y bÖnh ung th− da. C¸c kÕt qu¶ nghiªn cøu gÇn ®©y cho thÊy l−îng ozon trong tÇng thÊp nhÊt cña khÝ quyÓn (tÇng ®èi l−u) ngµy cµng t¨ng, trong khi ®ã hµm l−îng ozon trong tÇng b×nh l−u ®· bÞ gi¶m 6% tõ 20 n¨m trë l¹i ®©y. HËu qu¶ cña sù suy gi¶m nµy lµ c¸c tia cùc tÝm cã thÓ xuyªn qua khÝ quyÓn ®Õn mÆt ®Êt ngµy nhiÒu h¬n vµ lµm nhiÖt ®é trong tÇng b×nh l−u ngµy cµng l¹nh ®i, trong khi ®ã nhiÖt ®é trong tÇng ®èi l−u ngµy mét nãng lªn do hµm l−îng ozon gÇn mÆt ®Êt ngµy cµng t¨ng. Trong tÇng gi÷a (Mesosphere), cã ®é cao tõ 50km trë lªn, ozon th×nh l×nh máng ra vµ nhiÖt ®é gi¶m dÇn vµ lªn ®Õn ranh giíi cao nhÊt cña tÇng nµy (kho¶ng 80km) th× nhiÖt ®é chØ kho¶ng -90oC. Cµng lªn cao nhiÖt ®é b¾t ®Çu t¨ng trë l¹i vµ sù cÊu t¹o cña khÝ quyÓn thay ®æi hoµn toµn. Trong khi ë tÇng d−íi c¸c qu¸ tr×nh c¬ häc vµ trong tÇng gi÷a c¸c qu¸ tr×nh ho¸ häc x¶y ra rÊt tiªu biÓu, th× trong tÇng cao nhÊt cña khÝ quyÓn c¸c qu¸ tr×nh diÔn ra rÊt kh¸c biÖt. NhiÖt l−îng 18
  20. bøc x¹ rÊt m¹nh cña mÆt trêi lµm t¸ch c¸c ph©n tö ra ®Ó t¹o thµnh c¸c ion vµ electron. V× thÕ ng−êi ta gäi tÇng nµy lµ tÇng ®iÖn ly (Ionosphere) c¸c sãng ®iÖn tõ bÞ ph¶n x¹ trong tÇng nµy. Cµng lªn cao, bøc x¹ MÆt trêi trêi cµng m¹nh, ë ®é cao kho¶ng 600km, nhiÖt ®é lªn ®Õn 1000oC. Cµng lªn cao khÝ quyÓn cµng máng vµ kh«ng cã mét ranh giíi râ rµng ph©n biÖt g÷a khÝ quyÓn cña tr¸i ®Êt vµ kh«ng gian. Ng−êi ta thèng nhÊt r»ng khÝ quyÓn chuÈn cña tr¸i ®Êt cã ®é cao 800km. 19
  21. Chæång 2: NÀNG LÆÅÜNG MÀÛT TRÅÌI 2.1. Nàng læåüng 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 Rången 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. 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. ÂÄÜ DAÌI BÆÅÏC SOÏNG ( 10exp -8 10exp -6 10exp -4 10exp -2 10exp 0 10exp 2 10exp 4 10exp 6 10exp 8 10exp 10 Bæïc xaû nhiãût Tia Gamma Tæí ngoaûi Radar, TV, Radio 25 Tia Cosmic Tia X . Gáön xa Radio Radio Tia häöng ngoaûi Soïng ngàõn Soïng daìi AÏnh saïng trong tháúy 0.38 - 0.78 3 Nàng læåüng màût tråìi Hçnh 2.1 Daíi bæïc xaû âiãûn tæì 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 20
  22. quyãøn, tênh âäúi våïi våïi 1m2 bãö màût âàût vuäng goïc våïi tia bæïc xaû, âæåüc tênh theo cäng thæï : 4 qCT= ϕ DT_ .(/0 100 ) ÅÍ âáy ϕ DT− - hãû säú goïc bæïc xaû giæîa traïi âáút vaì màût tråìi 2 ϕβDT− = / 4 β - goïc nhçn màût tråìi vaì β ≈ 32’ nhæ hçnh 2.2 2 4 C0 = 5,67 W/m .K - hãû säú bæïc xaû cuía váût âen tuyãût âäúi T ≈ 5762 oK -nhiãût âäü bãö màût màût tråìi (xem giäúng váût âen tuyãût âäúi) 2 ⎛ 2.3,14.32 ⎞ ⎜ ⎟ 4 ⎝ 360.60 ⎠ ⎛ 5762 ⎞ Váûy q = .5,67.⎜ ⎟ ≈ 1353 W/m2 4 ⎝ 100 ⎠ Màût tråìi D = 1 390 000 km Traïi âáút 32' D'= 12 700 km 149 500 000 km ± 1.7% Hçnh Hçnh 1.2 2.2. : GoGoïcïc nhçn nhçn mà màût tråût tråìi. ìi 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 21
  23. 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. Khoaíng khäng Vuî truû 1353 W/m2 Sæû phaín xaû Khê Máút maït do sæû háúp thuû quyãøn Bæïc xaû khuyãúch taïn Tia phaín xaû 1000 W/m2 (Tråìi quang âaîng) Bãö màût traïi âáút Hçnh 2.3. Quaï trçnh truyãön nàng læåüng bæïc xaû màût tråìi qua låïp khê quyãøn cuía traïi âáút. 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 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 22
  24. 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 cacbänic 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. 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. Phán bäú cæåìng âäü bæïc xaû âån saïc E0λ(λ) cuía màût tråìi âæåüc xaïc âënh theo âënh luáût Planck, coï daûng: 5 Eoλ . TN AS HN VT = C 1 λ ΤW/m ³ E 0 λ C 2 83 − 1 50%Eo e λ T 80 Diãûn têch phêa dæåïi 60 Eo âæåìng cong seî mä taí 40 cæåìng âäü bæïc xaû toaìn 20 λ pháön E0 cuía Màût tråìi. 00,02 0,4 0,5 0,8 400 µ Pháön cäng suáút mang tia saïng (AS) tháúy âæåüc laì: HçnhH.8 - 2.4.Phán Phánbäú oλ bä(λ)ú Ecuía0λ( λMàût) cuía màût tråìi E tråìi 0,8.10 −6 ∞ EAS = 6 E 0 (λ)dλ = 0,5 E 0 (λ)dλ = 0,5E 0 ∫0,4.10 − λ ∫0 λ -3 E0λ âaût cæc trë taûi λm = 2,98.10 /T0 = 0,5µm vaì 13 3 E0λmax = E0λ(λm,T0) = 8,3.10 W/m 4 7 2 Cæåìng âäü bæïc xaû toaìn pháön: E0 = σ0.T0 = 6,25.10 W/m Cäng suáút bæïc xaû toaìn pháön cuía Màût tråìi: 2 4 26 Q0 = E0.F = π.D .σ0.T0 = 3,8.10 W. Cäng suáút naìy bàòng 4.1013 láön täøng cäng suáút âiãûn toaìn thãú giåïi hiãûn nay, vaìo khoaíg P = 1013W. 23
  25. 2.2. Ph−¬ng ph¸p tÝnh to¸n n¨ng l−îng bøc x¹ mÆt trêi 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). YÕu tè c¬ b¶n x¸c ®Þnh c−êng ®é cña bøc x¹ mÆt trêi ë mét ®iÓm nµo ®ã trªn tr¸i ®Êt lµ qu·ng ®−êng nã ®i qua. Sù mÊt m¸t n¨ng l−îng trªn qu·ng ®−êng ®ã g¾n liÒn víi sù t¸n x¹, hÊp thô bøc x¹ vµ phô thuéc vµo thêi gian trong ngµy, mïa, vÞ trÝ ®Þa lý. Quan hÖ gi÷a bøc x¹ mÆt trêi ngoµi khÝ quyÓn vµ thêi gian trong n¨m cã thÓ x¸c ®Þnh theo ph−¬ng tr×nh sau: 360n E = E (1+0, 033cos ), W/m2 ng o 365 trong ®ã, Eng lµ bøc x¹ ngoµi khÝ quyÓn ®−îc ®o trªn mÆt ph¼ng vu«ng gãc víi tia bøc x¹ vµo ngµy thø n trong n¨m. 2.2.1. TÝnh to¸n gãc tíi cña bøc x¹ trùc x¹ Trong qu¸ tr×nh tÝnh to¸n cÇn ®Þnh nghÜa mét sè kh¸i niÖm nh− sau: - HÖ sè khèi kh«ng khÝ: m, lµ tû sè gi÷a khèi l−îng khÝ quyÓn theo ph−¬ng tia bøc x¹ truyÒn qua vµ khèi l−îng khÝ quyÓn theo ph−¬ng th¼ng ®øng (tøc lµ khi mÆt trêi ë thiªn ®Ønh). Nh− vËy m =1 khi mÆt trêi ë thiªn ®Ønh, m =2 khi gãc 0 0 thiªn ®Ønh θz lµ 60 . §èi víi c¸c gãc thiªn ®Ønh tõ 0-70 cã thÓ x¸c ®Þnh gÇn 0 ®óng m =1/cosθz. Cßn ®èi víi c¸c gãc θz>70 th× ®é cong cña bÒ mÆt tr¸i ®Êt ph¶i ®−îc ®−a vµo tÝnh to¸n. Riªng ®èi víi tr−êng hîp tÝnh to¸n bøc x¹ mÆt trêi ngoµi khÝ quyÓn m =0. - Trùc x¹: lµ bøc x¹ mÆt trêi nhËn ®−îc khi kh«ng bÞ bÇu khÝ quyÓn ph¸t t¸n. §©y lµ dßng bøc x¹ cã h−íng vµ cã thÓ thu ®−îc ë c¸c bé thu kiÓu tËp trung (héi tô). - T¸n x¹: lµ bøc x¹ mÆt trêi nhËn ®−îc sau khi h−íng cña nã ®· bÞ thay ®æi do sù ph¸t t¸n cña bÇu khÝ quyÓn (trong mét sè tµi liÖu khÝ t−îng, t¸n x¹ cßn ®−îc gäi lµ bøc x¹ cña bÇu trêi, ë ®©y cÇn ph©n biÖt t¸n x¹ cña mÆt trêi víi bøc x¹ hång ngo¹i cña bÇu khÝ quyÓn ph¸t ra). - Tæng x¹: lµ tæng cña trùc x¹ vµ t¸n x¹ trªn mét bÒ mÆt (phæ biÕn nhÊt lµ tæng x¹ trªn mét bÒ mÆt n»m ngang, th−êng gäi lµ bøc x¹ cÇu trªn bÒ mÆt). 24
  26. - C−êng ®é bøc x¹ (W/m2): lµ c−êng ®é n¨ng l−îng bøc x¹ mÆt trêi ®Õn mét bÒ mÆt t−¬ng øng víi mét ®¬n vÞ diÖn tÝch cña bÒ mÆt. C−êng ®é bøc x¹ còng bao gåm c−êng ®é bøc x¹ trùc x¹ Etrx, c−êng ®é bøc x¹ t¸n x¹ Etx vµ c−êng ®é bøc x¹ quang phæ Eqp. - N¨ng l−îng bøc x¹ (J/m2 : lµ n¨ng l−îng bøc x¹ mÆt trêi truyÒn tíi mét ®¬n vÞ diÖn tÝch bÒ mÆt trong mét kho¶ng thêi gian, nh− vËy n¨ng l−îng bøc x¹ lµ mét ®¹i l−îng b»ng tÝch ph©n cña c−êng ®é bøc x¹ trong mét kho¶ng thêi gian nhÊt ®Þnh (th−êng lµ 1 giê hay 1 ngµy). - Giê mÆt trê : lµ thêi gian dùa trªn chuyÓn ®éng biÓu kiÕn cña mÆt trêi trªn bÇu trêi, víi quy −íc giê mÆt trêi chÝnh ngä lµ thêi ®iÓm mÆt trêi ®i qua thiªn ®Ønh cña ng−êi quan s¸t. Giê mÆt trêi lµ thêi gian ®−îc sö dông trong mäi quan hÖ vÒ gãc mÆt trêi, nã kh«ng ®ång nghÜa víi giê theo ®ång hå. Quan hÖ h×nh häc gi÷a mét mÆt ph¼ng bè trÝ bÊt kú trªn mÆt ®Êt vµ bøc x¹ cña mÆt trêi truyÒn tíi, tøc lµ vÞ trÝ cña mÆt trêi so víi mÆt ph¼ng ®ã cã thÓ ®−îc x¸c ®Þnh theo c¸c gãc ®Æc tr−ng sau (h×nh 2.5): - Gãc vÜ ®é φ: vÞ trÝ gãc t−¬ng øng víi vÜ ®é vÒ phÝa b¾c hoÆc vÒ phÝa nam ®−êng xÝch ®¹o tr¸i ®Êt, víi h−íng phÝa b¾c lµ h−íng d−¬ng. - 900 ≤ φ ≤ 900 - Gãc nghiªng β: gãc gi÷a mÆt ph¼ng cña bÒ mÆt tÝnh to¸n vµ ph−¬ng n»m ngang. 0 ≤ β ≤ 1800 (β > 900 nghÜa lµ bÒ mÆt nhËn bøc x¹ h−íng xuèng phÝa d−íi). - Gãc ph−¬ng vÞ cña bÒ mÆt γ: gãc lÖch cña h×nh chiÕu ph¸p tuyÕn bÒ mÆt trªn mÆt ph¼ng n»m ngang so víi ®−êng kinh tuyÕn. Gãc γ = 0 nÕu bÒ mÆt quay vÒ h−íng chÝnh nam, γ lÊy dÊu (+) nÕu bÒ mÆt quay vÒ phÝa t©y vµ lÊy dÊu (-) nÕu bÒ mÆt quay vÒ phÝa ®«ng. -1800 ≤ γ ≤ 1800 25
  27. Thiªn MÆt ®Ønh trêi Ph¸p tuyÕn tõ mÆt ph¼ng n»m ngang θz T θ αz B β γz N § γ H×nh 2.5. Quan hÖ c¸c gãc h×nh häc cña tia bøc x¹ mÆt trêi trªn mÆt ph¼ng nghiªng - Gãc giê ω: gãc chuyÓn ®éng cña vÞ trÝ mÆt trêi vÒ phÝa ®«ng hoÆc phÝa t©y cña kinh tuyÕn ®Þa ph−¬ng do qu¸ tr×nh quay cña tr¸i ®Êt quanh trôc cña nã vµ lÊy gi¸ trÞ 150 cho 1 giê ®ång hå, buæi s¸ng lÊy dÊu (-), buæi chiÒu lÊy dÊu (+). - Gãc tíi θ: gãc gi÷a tia bøc x¹ truyÒn tíi bÒ mÆt vµ ph¸p tuyÕn cña bÒ mÆt ®ã. - Gãc thiªn ®Ønh θz: gãc gi÷a ph−¬ng th¼ng ®øng (thiªn ®Ønh) vµ tia bøc x¹ tíi. Trong tr−êng hîp bÒ mÆt n»m ngang th× gãc thiªn ®Ønh chÝnh lµ gãc tíi θ. - Gãc cao mÆt trêi α : gãc gi÷a ph−¬ng n»m ngang vµ tia bøc x¹ truyÒn tíi, tøc lµ gãc phô cña gãc thiªn ®Ønh. - Gãc ph−¬ng vÞ mÆt trêi γs: gãc lÖch so víi ph−¬ng nam cña h×nh chiÕu tia bøc x¹ mÆt trêi truyÒn tíi trªn mÆt ph¼ng n»m ngang. Gãc nµy lÊy dÊu ©m (-) nÕu h×nh chiÕu lÖch vÒ phÝa ®«ng vµ lÊy dÊu d−¬ng (+) nÕu h×nh chiÕu lÖch vÒ phÝa t©y. - Gãc lÖch δ: vÞ trÝ gãc cña mÆt trêi t−¬ng øng víi giê mÆt trêi lµ 12 giê (tøc lµ khi mÆt trêi ®i qua kinh tuyÕn ®Þa ph−¬ng) so víi mÆt ph¼ng cña xÝch ®¹o tr¸i ®Êt, víi h−íng phÝa b¾c lµ h−íng d−¬ng. -23,450 ≤ δ ≤ 23,450 26
  28. Gãc lÖch δ cã thÓ tÝnh to¸n theo ph−¬ng tr×nh cña Cooper: 284 + n δ = 23,45.sin(360 ) 365 trong ®ã n lµ thø tù ngµy cña 1 n¨m . Quan hÖ gi÷a c¸c lo¹i gãc ®Æc tr−ng ë trªn cã thÓ biÓu diÔn b»ng ph−¬ng tr×nh gi÷a gãc tíi θ vµ c¸c gãc kh¸c nh− sau: cosθ = sinδ.sinφ. cosβ - sinδ.cosφ. sinβ.cosγ + cosδ.cosφ.cosβ.cosω + + cosδ.sinφ.sinβ.cosγ.cosω + cosδ.sinβ.sinγ.sinω vµ: cosθ = cosθz.cosβ + sinθz.sinβ.cos(γs - γ) §èi víi bÒ mÆt n»m ngang gãc tíi θ chÝnh lµ gãc thiªn ®Ønh cña mÆt trêi θz, gi¸ trÞ cña nã ph¶i n»m trong kho¶ng 00 vµ 900 tõ khi mÆt trêi mäc ®Õn khi mÆt trêi ë thiªn ®Ønh (β = 0): cosθz = cosφ.cosδ.cosω + sinφ.sinδ 2.2.2. Bøc x¹ mÆt trêi ngoµi khÝ quyÓn lªn mÆt ph¼ng n»m ngang: T¹i thêi ®iÓm bÊt kú, bøc x¹ mÆt trêi ®Õn mét bÒ mÆt n»m ngang ngoµi khÝ quyÓn ®−îc x¸c ®Þnh theo ph−¬ng tr×nh: ⎛ 360.n ⎞ Eo.ng = Eo ⎜1+ 0.033.cos ⎟.cosθ z ⎝ 365 ⎠ Thay gi¸ trÞ cosθz vµo ph−¬ng tr×nh trªn ta cã Eo.ng t¹i thêi ®iÓm bÊt kú tõ lóc mÆt trêi mäc ®Õn lóc mÆt trêi lÆn: ⎛ 360n ⎞ Eo.ng = Eo ⎜1+ 0.033.cos ⎟()cosφ.cosδ .cosω + sinφ.sinδ ⎝ 365 ⎠ TÝch ph©n ph−¬ng tr×nh nµy theo thêi gian tõ khi mÆt trêi mäc ®Õn khi mÆt trêi lÆn (6h ®Õn 18h mÆt trêi) ta sÏ ®−îc Eo. ngay lµ n¨ng l−îng bøc x¹ mÆt trêi trªn mÆt ph¼ng n»m ngang trong mét ngµy: 24.3600Eo ⎛ 360n ⎞⎛ πω s ⎞ Eo.ngay = ⎜1+ 0.033.cos ⎟⎜cosφ.cosδ .sinω s + sinφ.sinδ ⎟ π ⎝ 365 ⎠⎝ 180 ⎠ 0 0 víi ωs lµ gãc giê mÆt trêi lÆn ( ) (tøc lµ gãc giê ω khi θz = 90 ) sinφ.sinδ cosω = − = −tgφ.tgδ s cosφ.cosδ 27
  29. Ng−êi ta còng x¸c ®Þnh n¨ng l−îng bøc x¹ ngµy trung b×nh th¸ng Eoth b»ng c¸ch thay gi¸ trÞ n vµ δ trong c¸c c«ng thøc trªn lÊy b»ng gi¸ trÞ ngµy trung b×nh cña th¸ng vµ ®é lÖch δ t−¬ng øng. N¨ng l−îng bøc x¹ trªn mÆt ph¼ng n»m ngang trong mét giê nhÊt ®Þnh cã thÓ x¸c ®Þnh khi ph©n tÝch ph−¬ng tr×nh 1.9 trong kho¶ng thêi gian gi÷a c¸c gãc giê ω1 vµ ω2: 112x3600 ⎛ 360n ⎞⎡ π ()ω 2 −ω1 ⎤ Eo.gio = Eo ⎜1+ 0.033 ⎟⎢cosφ.cosδ ()sinω1 − sinω 2 + sinφ.sinδ ⎥ π ⎝ 365 ⎠⎣ 180 ⎦ 2.2.3. Tæng c−êng ®é bøc x¹ mÆt trêi lªn bÒ mÆt trªn tr¸i ®Êt Tæng bøc x¹ mÆt trêi lªn mét bÒ mÆt ®Æt trªn mÆt ®Êt bao gåm hai phÇn chÝnh ®ã lµ trùc x¹ vµ t¸n x¹. PhÇn trùc x¹ ®· ®ù¬c kh¶o s¸t ë trªn, cßn thµnh phÇn t¸n x¹ th× kh¸ phøc t¹p. H−íng cña bøc x¹ khuÕch t¸n truyÒn tíi bÒ mÆt lµ hµm sè cña ®é m©y vµ ®é trong suèt cña khÝ quyÓn, c¸c ®¹i l−îng nµy l¹i thay ®æi kh¸ nhiÒu. Cã thÓ xem bøc x¹ t¸n x¹ lµ tæng hîp cña 3 thµnh phÇn (h×nh 2.6). - Thµnh phÇn t¸n x¹ ®¼ng h−íng: phÇn t¸n x¹ nhËn ®−îc ®ång ®Òu tõ toµn bé vßm trêi. - Thµnh phÇn t¸n x¹ quanh tia: phÇn t¸n x¹ bÞ ph¸t t¸n cña bøc x¹ mÆt trêi xung quanh tia mÆt trêi. - Thµnh phÇn t¸n x¹ ch©n trêi: phÇn t¸n x¹ tËp trung gÇn ®−êng ch©n trêi. 28
  30. thµnh phÇn t¸n x¹ quanh tia thµnh phÇn t¸n Tia trùc x¹ x¹ ®¼ng huíng thµnh phÇn t¸n x¹ ch©n trêi H×nh 2.6. S¬ ®å ph©n bè c¸c thµnh phÇn bøc x¹ khuÕch t¸n. Gãc khuÕch t¸n ë møc ®é nhÊt ®Þnh phô thuéc ®é ph¶n x¹ Rg (cßn gäi lµ albedo -suÊt ph©n chiÕu) cña mÆt ®Êt. Nh÷ng bÒ mÆt cã ®é ph¶n x¹ cao (vÝ dô bÒ mÆt tuyÕt xèp cã Rg = 0,7) sÏ ph¶n x¹ m¹nh bøc x¹ mÆt trêi trë l¹i bÇu trêi vµ lÇn l−ît bÞ ph¸t t¸n trë thµnh thµnh phÇn t¸n x¹ ch©n trêi. Nh− vËy bøc x¹ mÆt trêi truyÒn ®Õn mét bÒ mÆt nghiªng lµ tæng cña c¸c dßng bøc x¹ bao gåm: trùc x¹ Eb, 3 thµnh phÇn t¸n x¹ Ed1, Ed2, Ed3 vµ bøc x¹ ph¶n x¹ tõ c¸c bÒ mÆt kh¸c l©n cËn Er: EΣ = Eb + Ed1 + Ed2 + Ed3 + Er Tuy nhiªn viÖc tÝnh to¸n c¸c ®¹i l−îng t¸n x¹ nµy rÊt phøc t¹p. V× vËy ng−êi ta gi¶ thiÕt lµ sù kÕt hîp cña bøc x¹ khuÕch t¸n vµ bøc x¹ ph¶n x¹ cña mÆt ®Êt lµ ®¼ng h−íng, nghÜa lµ tæng cña bøc x¹ khuÕch t¸n tõ bÇu trêi vµ bøc x¹ ph¶n x¹ cña mÆt ®Êt lµ nh− nhau trong mäi tr−êng hîp kh«ng phô thuéc h−íng cña bÒ mÆt. Nh− vËy tæng x¹ trªn bÒ mÆt nghiªng sÏ lµ tæng cña trùc x¹ Eb.Bb vµ t¸n x¹ trªn mÆt n»m ngang Ed. Khi ®ã mét bÒ mÆt nghiªng t¹o mét gãc β so víi ph−¬ng n»m ngang sÏ cã tæng x¹ b»ng tæng cña 3 thµnh phÇn: ⎛1 + cos β ⎞ ⎛1 − cos β ⎞ E β ∑ = Eb Bb + Ed ⎜ ⎟ + E∑ .Rg ⎜ ⎟ ⎝ 2 ⎠ ⎝ 2 ⎠ 29
  31. Tia trùc x¹ T¸n x¹ quanh tia T¸n x¹ ®½ng huíng T¸n x¹ β ch©n trêi MÆt ®Êt Ph¶n x¹ tõ mÆt ®Êt H×nh 2.7. C¸c thµnh phÇn bøc x¹ lªn bÒ mÆt nghiªng. Trong ®ã : EΣ lµ tæng x¹ trªn bÒ mÆt n»m ngang, (1 + cosβ)/2 = Fcs lµ hÖ sè gãc cña bÒ mÆt ®èi víi bÇu trêi (1 - cosβ)/2 = Fcg lµ hÖ sè gãc cña bÒ mÆt ®èi víi mÆt ®Êt Rg lµ hÖ sè ph¶n x¹ bøc x¹ cña m«i tr−êng xung quanh. Vµ ta cã tû sè bøc x¹ Bb cña bÒ mÆt nghiªng gãc β so víi bÒ mÆt ngang: En En .cosθ cosθ Bb = = = Ebng En .cosθ z cosθ z En lµ c−êng ®é bøc x¹ mÆt trêi tíi theo ph−¬ng bÊt kú, Ebng lµ bøc x¹ mÆt trêi theo ph−¬ng vu«ng gãc víi mÆt n»m ngang, Ebngh lµ bøc x¹ mÆt trêi theo ph−¬ng vu«ng gãc víi mÆt ph¼ng nghiªng, cosθ vµ cosθz ®−îc x¸c ®Þnh bëi c¸c ph−¬ng tr×nh trªn vµ c¸c gãc ®−îc biÓu diÔn trªn h×nh 2.8. E bngh Ebng θ En En θz β H×nh 2.8. Bøc x¹ trùc x¹ trªn bÒ mÆt n»m ngang vµ nghiªng. 30
  32. Trong tênh toaïn kyî thuáût, coï thãø coi cæåìng âäü bæïc xaû tåïi màût âáút laì haìm cuía thåìi gian τ, tênh tæì luïc màût tråìi moüc, τ = 0 âãún khi màût tråìi làûn τ =τn/2, våïi τn=24h = 24.3600s nhæ sau: E(τ) = En.sinϕ(τ) ϕ(τ) = ω.τ laì goïc nghiãng tia nàõng so våïi màût âáút, 2π 2π ω = = = 7,72.10−5 rad / s laì täúc âäü goïc tæû xoay cuía traïi âáút, τ n 24.3600 2 En[W/m ] laì cæåìng âäü bæïc xaû cæûc âaûi trong ngaìy, láúy trë trung bçnh caí nàm theo theo säú liãûu säú liãûu âo læåìng thæûc tãú taûi vé âäü cáön xeït. 2.3. Bøc x¹ mÆt trêi truyÒn qua kÝnh §é hÊp thô, truyÒn qua vµ ph¶n x¹ cña vËt liÖu lµ hµm sè cña bøc x¹ truyÒn tíi, ®é dµy vµ chØ sè khóc x¹ cña líp vËt liÖu ®ã. HÇu hÕt c¸c bé thu NLMT ®Òu sö dông kÝnh lµm vËt liÖu che phñ bÒ mÆt bé thu v× tÝnh chÊt quang häc −u viÖt cña nã. 2.3.1. HiÖu øng lång kÝnh Hiãûu æïng läöìng kênh Eλ laì hiãûn tæåüng têch luyî nàng læåüng bæïc xaû cuía màût tråìi λ (µm) phêa dæåïi mäüt táúm kênh 0 λ mo= 0,5 λ m = 8 hoàûc mäüt låïp khê naìo âoï, D vê duû CO2 hoàûc NOx. Giaíi 1 thêch hiãûu æïng läöng kênh λ nhæ sau: Táúm kênh hoàûc 0 To låïp khê coï âäü trong âån sàõc Dλ giaím dáön khi bæåïc T soïng λ tàng. Coìn bæåïc soïng λmkhi Eλ cæûc âaûi, laì bæåïc soïng mang nhiãöu Hinh 2.9. Hiãûu æïng läìng kênh. nàng læåüng nháút, thç laûi giaím theo âënh luáût Wien λ = 2,9.10-3/T. Bæïc xaû màût tråìi, phaït ra tæì nhiãût âäü cao T0 = 5762K, coï nàng læåüng táûp trung quanh soïng λm0 = 0,5µm, seî xuyãn qua kênh hoaìn toaìn, vç D(λm0) ≈ 1. Bæïc xaû thæï cáúp, phaït tæì váût thu coï nhiãût âäü tháúp, khoaíng T ≤ 400K, coï nàng læåüng táûp trung quanh soïng λm = 8µm, háöu nhæ khäng xuyãn qua kênh, vç D(λm) 31
  33. ≈ 0, vaì bë phaín xaû laûi màût thu. Hiãûu säú nàng læåüng (vaìo - ra) > 0, âæåüc têch luyî phêa dæåïi táúm kênh, laìm nhiãût âäü taûi âoï tàng lãn. 2.3.2. Sù ph¶n x¹ cña bøc x¹ mÆt trêi §èi víi c¸c bÒ mÆt nh½n, biÓu thøc Fresnel cña ®é ph¶n x¹ bøc x¹ qua m«i tr−êng thø nhÊt cã ®é khóc x¹ (chiÕt suÊt) n1 ®Õn m«i tr−êng thø 2 cã chiÕt suÊt n2 lµ: 2 sin ()θ 2 −θ1 r⊥ = 2 ®èi víi thµnh phÇn vu«ng gãc. sin ()θ 2 +θ1 2 tg ()θ 2 −θ1 r// = 2 ®èi víi thµnh phÇn song song cña bøc x¹ . tg ()θ 2 +θ1 E r + r r = r = ⊥ // lµ ®é ph¶n x¹ trung b×nh cña hai thµnh phÇn song Ei 2 song vµ vu«ng gãc. Ei, Er, t−¬ng øng lµ c−êng ®é bøc x¹ tíi, c−êng ®é bøc x¹ ph¶n x¹. C¸c gãc θ1 vµ θ2 lµ gãc tíi vµ gãc khóc x¹ (h×nh 2.10) cã quan hÖ víi ®é khóc n sinθ x¹ n theo ®Þnh luËt Snell: 1 = 2 n2 sinθ1 Nh− vËy nÕu biÕt c¸c ®¹i l−îng gãc θ1, θ2, vµ chiÕt suÊt c¸c m«i tr−êng n1, n2 ta cã thÓ x¸c ®Þnh ®−îc ®é ph¶n x¹ r cña bÒ mÆt. §èi víi tia bøc x¹ tíi vu«ng gãc Ei θ 1 Er m«i truêng 1 n 1 m«i truêng 2 n 2 θ2 Ed H×nh 2.10. Qu¸ tr×nh truyÒn cña tia bøc x¹. 32
  34. θ1, θ2 = 0 vµ c¸c ph−¬ng tr×nh trªn cã thÓ kÕt hîp: 2 E ⎛ n − n ⎞ r ⎜ 1 2 ⎟ r()0 = = ⎜ ⎟ Ei ⎝ n1 + n2 ⎠ NÕu mét m«i tr−êng lµ kh«ng khÝ (chiÕt suÊt n2 ≈ 1) th×: 2 E ⎛ n −1 ⎞ r = r = ⎜ 1 ⎟ ()0 ⎜ ⎟ Ei ⎝ n1 +1 ⎠ §èi víi c¸c lo¹i bé thu NLMT, th−êng sö dông kÝnh hoÆc vËt liÖu mµng máng trong suèt phñ trªn bÒ mÆt hÊp thô nhiÖt bøc x¹, v× vËy lu«n cã 2 bÒ mÆt ng¨n c¸ch cña mçi líp vËt liÖu phñ g©y ra tæn thÊt ph¶n x¹. NÕu bá qua nhiÖt l−îng hÊp thô cña líp vËt liÖu nµy vµ xÐt t¹i thêi ®iÓm mµ chØ cã thµnh phÇn vu«ng gãc cña bøc x¹ tíi (h×nh 2.11), th× ®¹i l−îng (1 - r⊥ ) cña tia bøc x¹ tíi sÏ 2 tíi ®−îc bÒ mÆt thø 2, trong ®ã (1 - r⊥ ) ®i qua bÒ mÆt ph©n c¸ch vµ r⊥ (1 - r⊥ ) bÞ ph¶n x¹ trë l¹i bÒ mÆt ph©n c¸ch thø nhÊt v.v Céng tÊt c¶ c¸c thµnh phÇn ®−îc truyÒn qua th× hÖ sè truyÒn qua cña thµnh phÇn vu«ng gãc: 2 2 2n (1− r⊥ ) 1− r⊥ d ⊥ = ()1− r⊥ ∑ r⊥ = = 1− r⊥ 1+ r⊥ §èi víi thµnh phÇn song song còng cã kÕt qu¶ t−¬ng tù vµ hÖ sè truyÒn qua trung b×nh cña c¶ hai thµnh phÇn: 1 ⎛1− r 1− r ⎞ ⎜ ⊥ ⎟ d r = ⎜ + ⎟ 2 ⎝1+ r 1+ r⊥ ⎠ NÕu bé thu cã N líp vËt liÖu phñ trong suèt nh− nhau th×: 1 ⎡ 1− r 1− r⊥ ⎤ d rN = ⎢ + ⎥ 2 ⎣1+ ()2N −1 r 1+ ()2N −1 r⊥ ⎦ 2 2 3 1 r (1-r) r (1-r) r ( 1 3 r r - ( ) r 1 ) r ( ) r - - 1 r r - 4 1 - ) ( 1 r ) ( r 2 2 2 2 24 (1-r) (1-r) r (1-r) r H×nh 2.11. Qu¸ tr×nh truyÒn33 cña tia bøc x¹ qua líp phñ kh«ng hÊp thô.
  35. 2.3.3. Tæn thÊt do hÊp thô bøc x¹ cña kÝnh Sù hÊp thô bøc x¹ trong vËt liÖu kh«ng trong suèt ®−îc x¸c ®Þnh bëi ®Þnh luËt Bougure dùa trªn gi¶ thiÕt lµ bøc x¹ bÞ hÊp thô tû lÖ víi c−êng ®é bøc x¹ qua vËt liÖu vµ kho¶ng c¸ch x mµ bøc x¹ ®i qua: dE = - EKdx víi K lµ h»ng sè tû lÖ. LÊy tÝch ph©n däc theo ®−êng ®i cña tia bøc x¹ trong vËt liÖu tõ 0 ®Õn δ /cosθ2 (víi δ lµ chiÒu dµy cña líp vËt liÖu) ta cã hÖ sè truyÒn qua cña vËt liÖu khi cã hÊp thô bøc x¹: Ed ⎛ Kδ ⎞ Da = = exp ⎜− ⎟ Ei ⎝ cosθ 2 ⎠ Trong ®ã, Ed lµ c−êng ®é bøc x¹ truyÒn qua líp vËt liÖu. §èi víi kÝnh: K cã trÞ sè xÊp xØ 4m-1 ®èi víi lo¹i kÝnh cã c¹nh mµu tr¾ng b¹c vµ xÊp xØ 32m-1 ®èi víi lo¹i kÝnh cã c¹nh mµu xanh lôc. 2.3.4. HÖ sè truyÒn qua vµ hÖ sè ph¶n x¹ cña kÝnh HÖ sè truyÒn qua, hÖ sè ph¶n x¹ vµ hÖ sè hÊp thô cña mét líp vËt liÖu cã thÓ ®−îc x¸c ®Þnh nh− sau : §èi víi thµnh phÇn vu«ng gãc cña bøc x¹: 2 ⎡ 2 ⎤ Da ()1− r⊥ 1− r⊥ 1− r⊥ D⊥ = = Da ⎢ ⎥ 2 1+ r 2 1− ()r⊥ Da ⊥ ⎣⎢1− ()r⊥ Da ⎦⎥ 2 2 ()1− r⊥ Da .r⊥ R⊥ = r⊥ + 2 = r⊥ ()1+ Da .D⊥ 1− ()r⊥ .Da ⎡ 1− r⊥ ⎤ A⊥ = ()1− Da ⎢ ⎥ ⎣1− r.Da ⎦ Thµnh phÇn song song cña bøc x¹ còng ®−îc x¸c ®Þnh b»ng c¸c biÓu thøc t−¬ng tù. §èi víi bøc x¹ tíi kh«ng ph©n cùc, c¸c tÝnh chÊt quang häc ®−îc x¸c ®Þnh b»ng trung b×nh céng cña hai thµnh phÇn nµy. §èi víi c¸c bé thu NLMT thùc tÕ, Da th−êng lín h¬n 0,9 vµ r ≈ 0,1. V× vËy tõ ph−¬ng tr×nh trªn ta cã gi¸ trÞ D⊥ ≈ 1 (t−¬ng tù D// ≈ 1). 2.3.5. HÖ sè truyÒn qua ®èi víi bøc x¹ khuÕch t¸n Do bøc x¹ khuÕch t¸n lµ v« h−íng nªn vÒ nguyªn t¾c l−îng bøc x¹ nµy truyÒn qua kÝnh cã thÓ ®−îc x¸c ®Þnh b»ng c¸ch tÝch ph©n dßng bøc x¹ theo tÊt c¶ c¸c gãc tíi. Tuy nhiªn do sù ph©n bè gãc cña bøc x¹ khuÕch t¸n nãi chung 34
  36. kh«ng thÓ x¸c ®Þnh ®ù¬c nªn khã x¸c ®Þnh biÓu thøc tÝch ph©n nµy. NÕu bøc x¹ khuÕch t¸n ®Õn kh«ng phô thuéc gãc tíi th× cã thÓ tÝnh to¸n ®¬n gi¶n hãa b»ng c¸ch ®Þnh nghÜa mét gãc t−¬ng ®−¬ng ®èi víi bøc x¹ cã cïng hÖ sè truyÒn qua nh− t¸n x¹. §èi víi mét kho¶ng kh¸ réng c¸c ®iÒu kiÖn tÝnh to¸n th× gãc t−¬ng ®−¬ng nµy lµ 600. Nãi c¸ch kh¸c, trùc x¹ víi gãc tíi 600 cã cïng hÖ sè truyÒn qua nh− bøc x¹ khuÕch t¸n ®¼ng h−íng. H×nh 2.12 lµ quan hÖ gi÷a gãc tíi hiÖu qu¶ cña bøc x¹ t¸n x¹ ®¼ng h−íng vµ bøc x¹ ph¶n x¹ tõ mÆt ®Êt víi c¸c gãc nghiªng kh¸c nhau cña bé thu. Cã thÓ x¸c ®Þnh gÇn ®óng quan hÖ nµy b»ng biÓu thøc to¸n häc sau: - §èi víi bøc x¹ ph¶n x¹ tõ mÆt ®Êt: 2 θhq = 90 - 0,5788β + 0,002693β - §èi víi bøc x¹ khuÕch t¸n: 2 θhq = 59,7 - 0,1388β + 0,001497β 90 85 80 Bøc x¹ ph¶n hq x¹ tõ mÆt ®Êt θ 75 70 Gãc tíi hiÖuqu¶, 65 Bøc x¹ khuÕch t¸n tõ bÇu trêi 60 β 55 H×nh 2.12. Gãc tíi hiÖu qu¶ cña t¸n x¹ ®¼ng h−íng vµ bøc x¹ ph¶n x¹ tõ mÆt ®Êt trªn mÆt ph¼ng nghiªng. 35
  37. 2.3.6. TÝch sè cña hÖ sè truyÒn qua vµ hÖ sè hÊp thô (DA) TÝch sè DA cña hÖ sè truyÒn qua vµ hÖ sè hÊp thô ®−îc xem nh− ký hiÖu biÓu diÔn tÝnh chÊt cña mét tæ hîp bé thu vµ kÝnh (DA). Trong sè bøc x¹ xuyªn qua kÝnh vµ tíi bÒ mÆt bé thu, mét phÇn l¹i bÞ ph¶n x¹ trë l¹i hÖ thèng kÝnh. Tuy nhiªn, kh«ng ph¶i tÊt c¶ l−îng bøc x¹ nµy bÞ mÊt ®i mµ mét phÇn lín trong sè ®ã l¹i ®−îc ph¶n x¹ trë l¹i bé thu nhê hiÖu øng lång kÝnh (nh− biÓu diÔn trong h×nh 2.13), trong ®ã D lµ hÖ sè truyÒn qua cña hÖ thèng kÝnh vµ A lµ hÖ sè hÊp thô cña bÒ mÆt bé thu. Nh− vËy trong sè n¨ng l−îng tíi, DA lµ phÇn sÏ ®−îc bé thu hÊp thô, cßn (1-A)D lµ phÇn bÞ ph¶n x¹ trë l¹i hÖ thèng kÝnh che. Sù ph¶n x¹ nµy ®−îc gi¶ thiÕt lµ khuÕch t¸n vµ nh− vËy phÇn n¨ng l−îng (1- A)D tíi tÊm phñ lµ bøc x¹ khuÕch t¸n vµ (1- A).D.Rd lµ phÇn ®−îc ph¶n x¹ trë l¹i bÒ mÆt bé thu. §¹i l−îng Bøc x¹ mÆt trêi ®Õn HÖ thèng líp kÝnh 2 (1-Α)D (1-Α) DRd D (1-Α)DRd 2 2 (1-Α) DR d BÒ mÆt hÊp thô 2 2 DΑ DΑ(1-Α)R DΑ(1-Α) R d d H×nh 2.13. Qu¸ tr×nh hÊp thô bøc x¹ mÆt trêi cña bé thu kiÓu lång kÝnh Rd lµ hÖ sè ph¶n x¹ cña hÖ thèng kÝnh ®èi víi bøc x¹ khuÕch t¸n tõ bÒ mÆt bé thu vµ cã thÓ x¸c ®Þnh tõ ph−¬ng tr×nh Rd = Da (1-Dr) = Da - D nh− ®é chªnh 0 lÖch gi÷a Da vµ D ë gãc tíi 60 . NÕu hÖ thèng kÝnh gåm 2 líp (hay nhiÒu líp) th× Rd sÏ h¬i kh¸c so víi ®é ph¶n x¹ khuÕch t¸n cña bøc x¹ tíi. Sù ph¶n x¹ nhiÒu lÇn ®èi víi bøc x¹ khuÕch t¸n sÏ tiÕp tôc ®Ó cho phÇn n¨ng l−îng tíi ®−îc hÊp thô cã trÞ sè: ∞ n DA ()DA = DA∑[] (1− A )Rd = n=0 1− ()1− A Rd 36
  38. Nãi kh¸c ®i, sÏ cã (DA) phÇn n¨ng l−îng bøc x¹ truyÒn tíi ®−îc bÒ mÆt hÊp thô bé thu. Trong thùc tÕ A kh¸ lín vµ Rd kh¸ nhá nªn mét c¸ch gÇn ®óng ng−êi ta th−êng x¸c ®Þnh: (DA) = 1,01 . D . A Do D vµ A phô thuéc gãc tíi θ nªn ®−¬ng nhiªn tÝch sè (DA) còng phô thuéc gãc tíi θ. §Ó x¸c ®Þnh quan hÖ gi÷a (DA) vµ θ cã thÓ sö dông ®å thÞ ë h×nh 2.14, trong ®ã (DA)n lµ tÝch sè (DA) øng víi tr−êng hîp tia tíi vu«ng gãc víi bÒ mÆt bé thu (θ = 0). 1.0 0.9 0.8 0.7 (DΑ) 0.6 (DΑ) Sè líp kÝnh 1 n 0.5 2 0.4 3 0.3 4 0.2 0.1 0 θ (o ) 01020304050 60 70 80 90 H×nh 2.14. §−êng cong (DA)/(DA)n cña bé thu cã 1,2,3,4 líp kÝnh. 2.3.7. Tæng bøc x¹ mÆt trêi hÊp thô ®−îc cña bé thu N¨ng l−îng bøc x¹ mÆt trêi ®−îc bé thu hÊp thô gåm 3 thµnh phÇn chÝnh: trùc x¹, t¸n x¹, ph¶n x¹ cña mÆt ®Êt. Víi bé thu ®Æt nghiªng mét gãc β ta cã tæng bøc x¹ mÆt trêi hÊp thô cña bé thu nh− sau: ⎛1+ cos β ⎞ ⎛1− cos β ⎞ S = Eb Bb ()DA b + Ed ()DA d ⎜ ⎟ + Rd ()()Eb + Ed DA g ⎜ ⎟ ⎝ 2 ⎠ ⎝ 2 ⎠ Eb, Ed lµ c−êng ®é bøc x¹ trùc x¹ vµ t¸n x¹, 37
  39. Bb lµ tû sè gi÷a bøc x¹ trùc x¹ lªn mÆt ph¼ng nghiªng vµ lªn mÆt ph¼ng n»m ngang, (1+cosβ)/2 vµ (1-cosβ)/2 lµ hÖ sè gãc cña bé thu ®èi víi t−¬ng øng bÇu trêi vµ mÆt ®Êt, (DA)b, (DA)d, (DA)g lµ tÝch sè hÖ sè truyÒn qua vµ hÖ sè hÊp thô t−¬ng øng ®èi víi trùc x¹, t¸n x¹ vµ ph¶n x¹ tõ mÆt ®Êt. 2.4. C©n b»ng nhiÖt vµ nhiÖt ®é c©n b»ng cña vËt thu bøc x¹ mÆt trêi Nhiãût âäü cán bàòng τ cuía váût thu bæïc xaû màût tråìi laì nhiãût âäü äøn âënh trãn bãö màût váût, khi coï sæû cán bàòng giæîa cäng suáút bæïc xaû váût háúp thuû âæåüc vaì cäng suáút nhiãût phaït tæì váût ra mäi træåìng. Nhiãût âäü cán bàòng chênh laì nhiãût âäü låïn nháút maì váût coï thãø âaût tåïi sau thåìi gian thu bæïc xaû màût tråìi âaî láu, khi ∆U cuía váût = 0. Nhiãût âäü cán bàòng τ cuía váût thu bæïc xaû màût tråìi laì nhiãût âäü äøn âënh trãn bãö màût váût, khi coï sæû cán bàòng giæîa cäng suáút bæïc xaû váût háúp thuû dæåüc vaì cäng suáút nhiãût phaït tæì váût ra mäi træåìng. Ta seî láûp cäng thæïc D, To tênh nhiãût âäü cán bàòng T cuía váût V coï diãûn têch r xung quanh F, hãû säú háúp thuû A, hãû säú bæïc xaû ε âàût Ft T, F, A, ε trong chán khäng caïch màût MÀÛT TRÅÌI tråìi mäüt khoaíng r coï diãûn MT têch hæïng nàõng Ft, laì hçnh E(τ) chiãúu cuía F lãn màût phàóng Ft(τ) tf vuäng goïc tia nàõng, hay α F, V, A, C, ρ, ε chênh laì diãûn têch “caïi t(τ) boïng” cuía V. Phæång trçnh cán bàòng nhiãût cho V coï daûng: Cäng suáút do V háúp thuû = Cäng suáút phaït bæïc xaû tæì Hçnh 2.15. Xaïc âënh T vaì t (τ) V. 4 2 4 Hay: A.Et.Ft = E.F → A.σ0.T0 (D/2r) .Ft = ε.σ0.T0 F . Suy ra: 1 1 2 4 ⎛ D ⎞ ⎛ AFt ⎞ T(r, Ft, F, A, ε) = T0 ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ , [K] ⎝ 2r ⎠ ⎝ εF ⎠ 38
  40. 1 1 2 4 ⎛ D ⎞ ⎛ Ft ⎞ Nãúu V laì váût xaïm, coï A = ε, thç T(r, Ft, F) = T0 ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ , [K] ⎝ 2r ⎠ ⎝ F ⎠ 1 D Nãúu V laì váût xaïm hçnh cáöu, coï F /F=1/4, thç T(r) = T , [K] t 2 0 r Nãúu váût V coï thäng säú (ρ, C, ε, A, F, V) âàût trong khê quyãøn nhiãût âäü tf, toaí nhiãût phæïc håüp hãû säú α, thç phæång trçnh cán bàòng nhiãût trong thåìi gian dτ cho V la ì: δQA = dU + δQα hay A.En.sin(ω.τ).Ft(τ).dτ = ρ.V.C.dt + α.F.(t - tf) .dτ dt αF AE coï daûng + t = m F (τ )sin(ωτ ) dτ ρVC ρVC t Khi biãút luáût thay âäøi diãûn têch thu nàng Ft(τ), coï thãø giaíi phæång trçnh vi phán våïi âiãöu kiãûn âáöu t(τ = 0) = tf âãø tçm haìm biãún âäøi t(τ) cuía nhiãût âäü váût theo thåìi gian. 2.5. §o c−êng ®é bøc x¹ mÆt trêi. Ngoµi ph−¬ng ph¸p x¸c ®Þnh c−êng ®é bøc x¹ mÆt trêi t¹i mét ®iÓm bÊt kú dùa trªn vÞ trÝ ®Þa lý (®é cao mÆt trêi trêi) nh− trªn, trong thùc tÕ ng−êi ta ®· chÕ t¹o c¸c dông cô ®o c−êng ®é bøc x¹ mÆt trêi (pyrheliometer, actinometer - ®o bøc trùc x¹, vµ pyranometer, Solarimeter- ®o tæng x¹ ). NhËt x¹ kÕ - Pyranometer Trùc x¹ kÕ - Pyrheliometer §Çu ®o - Sensor 39