Giáo trình Năng lượng mặt trời lý thuyết và ứng dụng (Phần 1)

1kg, vaỡ giaới phoùng ra nàng lổồỹng: q = ∆m.c2 = 0,01.(3.108)2 = 9.1014 J Lổồỹng nhióỷt sinh ra seợ laỡm tàng aùp suỏỳt khọỳi khờ, khióỳn màỷt trồỡi phaùt ra aùnh saùng vaỡ bổùc xaỷ, vaỡ nồớ ra cho õóỳn khi cỏn bàũng vồùi lổỷc hỏỳp dỏựn. Mọựi giỏy màỷt trồỡi tióu huớy hồn 420 trióỷu tỏỳn hydro, giaớm khọỳi lổồỹng ∆m = 4,2 trióỷu tỏỳn vaỡ phaùt ra nàng lổồỹng Q = 3,8.1026W. Muọỳn õaỷt nhióỷt õọỹ taỷi tỏm õuớ cao õóứ thaỡnh mọỹt ngọi sao, thión thóứ cỏửn coù khọỳi lổồỹng M ≥ 0,08M0, vồùi M0 = 2.1030kg laỡ khọỳi lổồỹng màỷt trồỡi. Thồỡi gian xaớy ra phaớn ổùng tọứng hồỹp Heli nàũm trong khoaớng (108ữ1010)nàm, giaớm dỏửn khi khọỳi lổồỹng ngọi sao tàng. Khi khọỳi lổồỹng sao caỡng lồùn nhióỷt õọỹ vaỡ aùp suỏỳt cuớa phaớn ổùng õuớ cỏn bàũng lổỷc hỏỳp dỏựn caỡng lồùn, khióỳn tọỳc õọỹ phaớn ổùng tàng, thồỡi gian chaùy Hydro giaớm. Giai õoaỷn õọỳt Hydro cuớa màỷt trồỡi õổồỹc khồới õọỹng caùch õỏy 4,5 tyớ nàm, vaỡ coỡn tióỳp tuỷc trong khoaớng 5,5 tyớ nàm nổợa. 1.3.2.2. Phaớn ổùng tọứng hồỹp Caùcbon vaỡ caùc nguyón tọỳ khaùc Khi nhión lióỷu H2 duỡng sàừp hóỳt, phaớn ổùng tọứng hồỹp He seợ yóỳu dỏửn, aùp lổỷc bổùc xaỷ bón trong khọng õuớ maỷnh õóứ cỏn bàũng lổỷc neùn do hỏỳp dỏựn, khióỳn thóứ tờch co laỷi. Khi co laỷi, khờ He bón trong bở neùn nón nhióỷt õọỹ tàng dỏửn, cho õóỳn khi õaỷt tồùi nhióỷt õọỹ 108K, seợ xaớy ra phaớn ổùng tọứng hồỹp nhỏn Cacbon tổỡ He : 3He4 → C12 + q Phaớn ổùng naỡy xaớy ra ồớ nhióỷt õọỹ cao, tọỳc õọỹ lồùn, nón thồỡi gian chaùy He chố bàũng1/30 thồỡi gian chaùy H2 khoaớng 300 trióỷu nàm. Nhióỷt sinh ra trong phaớn ổùng laỡm tàng aùp suỏỳt bổùc xaỷ, khióỳn ngọi sao nồớ ra haỡng tràm lỏửn so vồùi trổồùc. Luùc naỡy màỷt ngoaỡi sao nhióỷt õọỹ khoaớng 4000K, coù maỡu õoớ, nón goỹi laỡ sao õoớ khọứng lọử. Vaỡo thồỡi õióứm laỡ sao õoớ khọứng lọử, màỷt trồỡi seợ nuọỳt chổớng sao Thuớy vaỡ sao Kim, nung traùi õỏỳt õóỳn 1500K thaỡnh 1 haỡnh tinh noùng chaớy, kóỳt thuùc sổỷ sọỳng taỷi õỏy. Kóỳt thuùc quaù trỗnh chaùy Heli, aùp lổỷc trong sao giaớm, lổỷc hỏỳp dỏựn eùp sao co laỷi, laỡm mỏỷt õọỹ vaỡ nhióỷt õọỹ tàng lón, õóỳn T= 5.106K seợ xaớy ra phaớn ổùng taỷo Oxy: 4C12→ 3O16 + q Quaù trỗnh chaùy xaớy ra nhổ trón, vồùi tọỳc õọỹ tàng dỏửn vaỡ thồỡi gian ngàừn dỏửn. Chu trỗnh chaùy - tàừt - neùn - chaùy õổồỹc tàng tọỳc, lión tióỳp thổỷc hióỷn caùc phaớn ổùng taỷo nguyón tọỳ mồùi O16 -> Ne20 -> Na22 -> Mg24 -> Al26 - > Si28 -> P30 -> S32 ->... -> Cr52 -> Mn54 -> Fe56 13 Caùc phaớn ổùng trón õaợ taỷo ra hồn 20 nguyón tọỳ, tỏỷn cuỡng laỡ sàừt Fe56 (gọửm 26 proton vaỡ 30 netron), toaỡn bọỹ quaù trỗnh õổồỹc tàng tọỳc, xaớy ra chố trong vaỡi trióỷu nàm. Sau khi taỷo ra sàừt Fe56, chuọựi phaớn ổùng haỷt nhỏn trong ngọi sao kóỳt thuùc, vỗ vióỷc tọứng hồỹp sàừt thaỡnh nguyón tọỳ nàỷng hồn khọng coù õọỹỹ huỷt khọỳi lổồỹng, khọng phaùt sinh nàng lổồỹng, maỡ cỏửn phaới cỏỳp thóm nàng lổồỹng. 1.3.3. Sổỷ tióỳn hoùa cuaớ màỷt trồỡi Sau khi taỷo ra sàừt, caùc phaớn ổùng haỷt nhỏn sinh nhióỷt tàừt hàún, lổỷc hỏỳp dỏựn tióỳp tuỷc neùn màỷt trồỡi cho õóỳn “chóỳt”. Quaù trỗnh hoaù thỏn cuớa màỷt trồỡi phuỷ thuọỹc cổồỡng õọỹ lổỷc hỏỳp dỏựn, tổùc laỡ tuyỡ thuọỹc vaỡo khọỳi lổồỹng cuớa noù, theo mọỹt trong ba kởch baớn nhổ sau: 1- Caùc sao coù khọỳi lổồỹng M∈ (0,7 ữ 1,4)M0: Sau khi hóỳt nhión lióỷu, tổỡ mọỹt sao õoớ khọứng lọử õổồỡng kờnh 100.106 km co laỷi thaỡnh sao luỡn tràừng õổồỡng kờnh cồợ 1500 km, laỡ traỷng thaùi dổỡng khi lổỷc hỏỳp dỏựn cỏn bàũng vồùi aùp lổỷc taỷo ra khi caùc nguyón tổớ õaợ eùp saùt laỷi nhau, coù khọỳi lổồỹng rióng cồợ 1012 kg/m3. Nhióỷt sinh ra khi neùn laỡm nhióỷt õọỹ bóử màỷt sao õaỷt tồùi 6000K, sau õoù toớa nhióỷt vaỡ nguọỹi dỏửn trong mọỹt tố nàm thaỡnh sao luỡn õen hay sao sàừt, nhổ mọỹt xaùc sao khọng thỏỳy õổồỹc lang thang trong vuợ truỷ. Màỷt trồỡi hoaù kióỳp theo kióứu naỡy. 2- Caùc sao coù khọỳi lổồỹng M ∈ (1,4 ữ5)M0: Lổỷc hỏỳp dỏựn õuớ maỷnh õóứ eùp naùt nguyón tổớ, eùp caùc haỷt nhỏn laỷi saùt nhau, laỡm troùc hóỳt lồùp voớ õióỷn tổớ, taỷo ra mọỹt khọỳi gọửm toaỡn neutron eùp saùt nhau vaỡ goỹi laỡ sao neutron, coù õổồỡng kờnh cồợ 15 km vaỡ mỏỷt õọỹ 1018kg/m3. Quaù trỗnh co laỷi vồùi gia tọỳc lồùn vaỡ bở chàỷn õọỹt ngọỹt taỷi traỷng thaùi neutron, taỷo ra mọỹt chỏỳn õọỹng dổợ dọỹi, gỏy ra vuỷ nọứ sióu sao mồùi, goỹi laỡ supernova, phaùt ra nàng lổồỹng bàũng tràm trióỷu lỏửn nàng lổồỹng màỷt trồỡi, laỡm bàừn tung toaỡn bọỹ caùc lồùp ngoaỡi cuớa sao gọửm õuớ caùc loaỷi nguyón tọỳ. Lồùp vỏỷt lióỷu bàừn ra seợ taỷo thaỡnh caùc õaùm buỷi vuợ truỷ thổù cỏỳp, õóứ hỗnh thaỡnh caùc sao thổù cỏỳp sau õoù. Sao neutron mồùi taỷo ra, coỡn goỹi laỡ pulsar, seợ tổỷ quay vồùi tọỳc õọỹ khoaớng 630 voỡng/s vaỡ phaùt bổùc xaỷ rỏỳt maỷnh doỹc truỷc, phaùt taùn hóỳt nàng lổồỹng sau vaỡi trióỷu nàm vaỡ seợ hóỳt quay, trồớ thaỡnh mọỹt xaùc chóỳt trong vuợ truỷ. 3- Caùc sao coù khọỳi lổồỹng M≥ 5M0: Quaù trỗnh tọứng hồỹp caùc haỷt nhỏn nàỷng õổồỹc gia tọỳc, xaớy ra rỏỳt nhanh. Sau khi hóỳt nhión lióỷu, do lổỷc hỏỳp dỏựn quaù lồùn, sao suỷp õọứ vồùi gia tọỳc lồùn, co laỷi lión tuỷc, khọng dổỡng laỷi ồớ traỷng thaùi neutron, õaỷt tồùi baùn kờnh Schwarzschild R = 2 2 C GM , taỷo thaỡnh mọỹt lọự õen, keỡm theo mọỹt vuỷ nọứ 14 sióu sao mồùi. Lọự õen coù khọỳi lổồỹng rióng khoaớng 1023 kg/m3, taỷo ra trổồỡng hỏỳp dỏựn rỏỳt maỷnh, laỡm cong khọng gian xung quanh tồùi mổùc vỏỷt chỏỳt kóứ caớ aùnh saùng cuợng khọng thóứ thoaùt ra õổồỹc. Moỹi thión thóứ õóỳn gỏửn õóửu bở cuọỳn huùt nhổ mọỹt xoaùy nổồùc khọứng lọử. Nóỳu õổồỹc neùn õóỳn traỷng thaùi lọự õen, õaỷt tồùi baùn kờnh hỏỳp dỏựn, thỗ baùn kờnh Quaớ õỏỳt chố bàũng 3cm, baùn kờnh màỷt trồỡi laỡ 3 km. 1.4. Trái đất, cấu tạo của trái đất Traùi õỏỳt õổồỹc hỗnh thaỡnh caùch õỏy gỏửn 5 tyớ nàm tổỡ mọỹt vaỡnh õai buỷi khờ quay quanh màỷt trồỡi, kóỳt tuỷ thaỡnh mọỹt quaớ cỏửu xọỳp tổỷ xoay vaỡ quay quanh màỷt trồỡi. Lổỷc hỏỳp dỏựn eùp quaớ cỏửu co laỷi, khióỳn nhióỷt õọỹ nọứ tàng lón haỡng ngaỡn õọỹ, laỡm noùng chaớy quaớ cỏửu, khi õoù caùc nguyón tọỳ nàỷng nhổ Sàừt vaỡ Niken chỗm dỏửn vaỡo tỏm taỷo loợi quaớ õỏỳt, xung quanh laỡ magma loớng, ngoaỡi cuỡng laỡ khờ quyóứn sồ khai gọửm H2, He, H2O, CH4, NH3 vaỡ H2SO4. Traùi õỏỳt tióỳp tuỷc quay, toớa nhióỷt vaỡ nguọỹi dỏửn. Caùch õỏy 3,8 tyớ nàm nhióỷt õọỹ õuớ nguọỹi õóứ Silicat nọứi lón trón màỷt magma rọửi õọng cổùng laỷi, taỷo ra voớ traùi õỏỳt daỡy khoaớng 25km, vồùi nuùi cao, õỏỳt bàũng vaỡ họỳ sỏu. Nàng lổồỹng phoùng xaỷ trong loỡng õỏỳt vồùi bổùc xaỷ màỷt trồỡi tióỳp tuỷc gỏy ra caùc bióỳn õọứi õởa tỏửng, vaỡ taỷo ra thóm H2O, N2, O2, CO2 trong khờ quyóứn. Khờ quyóứn nguọỹi dỏửn õóỳn õọỹ nổồùc ngổng tuỷ, gỏy ra mổa keùo daỡi haỡnh trióỷu nàm, taỷo ra sọng họử, bióứn vaỡ õaỷi dổồng. Caùch õỏy gỏửn 2 tyớ nàm, nhổợng sinh vỏỷt õỏửu tión xuỏỳt hióỷn trong nổồùc, sau õoù phaùt trióứn thaỡnh sinh vỏỷt cỏỳp cao vaỡ tióỳn hoaù thaỡnh ngổồỡi. Trái đất, hành tinh thứ 3 tính từ mặt trời, cùng với mặt trăng một vệ tinh duy nhất tạo ra một hệ thống hành tinh kép đặc biệt. Trái đất là hành tinh lớn nhất trong số các hành tinh bên trong của hệ mặt trời với đ−ờng kính ở xích đạo 12.756 km. Nhìn từ không gian, trái đất có màu xanh, nâu và xanh lá cây với những đám mây trắng th−ờng xuyên Hỗnh 1.8. Traùi õỏỳt 15 thay đổi. Bề mặt trái đất có một đặc tính mà không một hành tinh nào khác có: hai trạng thái của vật chất cùng tồn tại bên nhau ở cả thể rắn và thể lỏng. Vùng ranh giới giữa biển và đất liền là nơi duy nhất trong vũ trụ có vật chất hiện hữu ổn định trong cả 3 thể rắn, lỏng và khí. Vóử cỏỳu taỷo, bón trong traùi õỏỳt õổồỹc chia ra 4 lồùp. Trong cuỡng laỡ nhỏn trong, coù baùn kờnh r ≤ 1300km, nhióỷt õọỹ T ≥ 4000K, gọửm Sàừt vaỡ Niken bở neùn cổùng. Tióỳp theo laỡ nhỏn ngoaỡi, coù r ∈ (1300 ữ 3500)km, nhióỷt õọỹ T ∈ (2000 ữ 4000)K, gọửm Sàừt vaỡ Niken loớng. Kóỳ tióỳp laỡ lồùp magma loớng, chuớ yóỳu gọửm SiO vaỡ Sàừt, coù r ∈ (3500 ữ 6350)km, nhióỷt õọỹ T ∈ (1000 ữ 2000)K. Ngoaỡi cuỡng laỡ lồùp voớ cổùng daỡy trung bỗnh 25 km, coù nhióỷt õọỹ T ∈ (300 ữ 1000)K, chuớ yóỳu gọửm SiO vaỡ H2O. Lồùp voớ naỡy gọửm 7 maớng lồùn vaỡ hồn 100 maớng nhoớ gheùp laỷi, chuùng trọi trổồỹt vaỡ va õỏỷp nhau, gỏy ra õọỹng õỏỳt vaỡ nuùi lổớa, laỡm thay õọứi õởa hỗnh. Hành tinh trái đất di chuyển trên một quỹ đạo gần ellip, mặt trời không ở tâm của ellip, mà là tại một trong 2 tiêu điểm. Trong thời gian một năm, có khi trái đất gần, có khi xa mặt trời đôi chút, vì quỹ đạo ellip của nó gần nh− hình tròn. Hàng năm, vào tháng giêng, trái đất gần mặt trời hơn so với vào tháng 7 khoảng 5 triệu km, sự sai biệt này quá nhỏ so với khoảng cách mặt trời đến trái đất. Chúng ta không cảm nhận đ−ợc sự khác biệt này trong một vòng quay của trái đất quanh mặt trời, hay trong một năm, sự khác biệt về khoảng cách này hầu nh− không ảnh h−ởng gì Nhỏn ràừn - Fe, Ni Khờ quyóứn - N , O , H O, CO Lồùp voớ - SiO, H O Lồùp bao (magma) - Fe, Ni Nhỏn loớng - Fe, Ni 2 2 2 2 2 1000 6750 0 2000 4000 3500 1300 6375 km7200 r 3 300 Hỗnh 1.9. Cỏỳu taỷo bón trong traùi õỏỳt 16 đến mùa đông và mùa hè trên trái đất, chỉ có điều là vào mùa đông chúng ta ở gần mặt trời hơn so với mùa hè chút ít. Trái đất chuyển động quanh mặt trời, đồng thời nó cũng tự quay quanh trục của nó. Trong thời gian quay một vòng quanh mặt trời, trái đất quay 365 và 1/4 vòng quanh trục. Chuyển động quay quanh mặt trời tạo nên bốn mùa, chuyển động quay quanh trục tạo nên ngày và đêm trên trái đất. Trục quay của trái đất không thẳng góc với mặt phẳng quỹ đạo, bởi thế chúng ta có mùa đông và mùa hè. Trái đất quay, vì thế đối với chúng ta đứng trên trái đất có vẻ nh− các vì sao cố định đ−ợc gắn chặt với quả cầu bầu trời quay xung quanh chúng ta. Chuyển động quay của trái đất không quá nhanh để lực ly tâm của nó có thể bắn chúng ta ra ngoài không gian. Lực ly tâm tác dụng lên mọi vật cùng quay theo trái đất, nh−ng vô cùng nhỏ. Lực ly tâm lớn nhất ở xích đạo nó kéo mọi vật thể lên phía trên và làm chúng nhẹ đi chút ít. Vì thế, mọi vật thể ở xích đạo cân nhẹ hơn năm phần ngàn so với ở hai cực. Hậu quả của chuyển động quay làm cho trái đất không còn đúng là quả cầu tròn đều nữa mà lực ly tâm làm cho nó phình ra ở xích đạo một chút. Sự sai khác này thực ra không đáng kể, bán kính trái đất ở xích đạo là 6.378.140km, lớn hơn khoảng cách từ 2 cực đến tâm trái đất là gần 22km. Sự sống và các đại d−ơng có khả năng tạo ra sự sống chỉ hiện hữu duy nhất trên trái đất. Trên các hành tinh khác gần chúng ta nhất nh− sao Kim thì quá nóng và sao Hỏa quá lạnh. N−ớc trên sao Kim nay đã bốc thành hơi n−ớc, còn n−ớc trên sao Hoả đã đóng thành băng bên d−ới bề mặt của nó. Chỉ có hành tinh của chúng ta là phù hợp cho n−ớc ở thể lỏng với nhiệt độ từ 0 đến 100oC. Xung quanh traùi õỏỳt coù lồùp khờ quyóứn daỡy khoaớng H = 800 km chổùa N2, O2, H2O, CO2, NOx, H2, He, Ar, Ne. Aẽp suỏỳt vaỡ khọỳi lổồỹng rióng cuớa khờ quyóứn giaớm dỏửn vồùi õọỹ cao y theo quy luỏỷt: p(y) = p0.(1 - (g/(Cp.T0)).y)Cp/R ρ(y) = ρ0(1 - (g/(Cp.T0)).y)Cv/R. Khí quyển tác động đến nhiệt độ trên hành tinh của chúng ta. Các vụ phun trào núi lửa cùng với các hoạt động của con ng−ời làm ảnh h−ởng đến các thành phần cấu tạo của khí quyển. Vì thế, hệ sinh thái trên hành tinh chúng ta là kết quả của sự cân bằng mong manh giữa các ảnh h−ởng khác nhau. Trong quá khứ, hệ sinh thái này là một hệ thống cân bằng tự điều chỉnh, nh−ng ngày nay do tác động của con ng−ời có thể đang là nguyên nhân làm v−ợt qua trạng thái cân bằng này. 17 Lớp không khí bao quanh trái đất có thể tích khoảng 270 triệu km3 và nặng khoảng 5.300 tỷ tấn đè lên thân thể chúng ta. Những gì mà chúng ta cảm nhận đ−ợc chỉ xảy ra trong tầng thấp nhất, cao khoảng 18km của cột không khí khổng lồ này, tuy nhiên, phần nhỏ này lại đóng vai trò quan trọng nhất đối với sự sống trên hành tinh của chúng ta. Trong không khí chứa khoảng 78% phân tử nitơ và 21% oxy cùng với 1% argon và một số chất khí khác và hơi n−ớc trong đó có khoảng 0,03% khí cácbonic. Mặc dầu hàm l−ợng khí cácbonic rất nhỏ, nh−ng lại đóng một vai trò quan trọng đối với sự sống trên trái đất. Càng lên cao áp suất không khí giảm và nhiệt độ cũng thay đổi rất nhiều, tuy nhiên nhiệt độ của không khí không hạ xuống một cách đơn giản khi chúng ta tiến ra ngoài không gian, nhiệt độ không khí giảm và tăng theo một chu trình nhất định. Nhiệt độ ở mỗi tầng t−ơng ứng với mức tích tụ và loại năng l−ợng tác động trong tầng đó. Khí quyển của trái đất có thể chia làm 4 tầng, trong đó mỗi tầng có một kiểu cân bằng năng l−ợng khác nhau. Tầng d−ới cùng nhất gọi là tầng đối l−u (Troposphere) tầng này bị chi phối bởi ánh sáng khả kiến và Hỗnh 1.10. Sổỷ thay õọứi nhióỷt õọỹ theo õọỹ cao cuớa caùc tỏửng khờ quyóứn 18 tia hồng ngoại, gần 95% tổng số khối l−ợng và toàn bộ n−ớc trong khí quyển phân bố trong tầng này tầng đối l−u cao chỉ khoảng 14km. Gần nh− toàn bộ sự trao đổi năng l−ợng giữa khí quyển và trái đất xảy ra trong tầng này. Mặt đất và mặt biển bị hâm nóng lên bởi ánh nắng mặt trời. Nhiệt độ trung bình trên bề mặt trái đất khoảng 15oC, bức xạ nhiệt đóng vai trò điều tiết tự nhiên để giữ cho nhiệt độ trên mặt đất chỉ thay đổi trong một dải tầng hẹp. Theo lý thuyết, càng lên cao nhiệt độ càng giảm T(y) = T0 - (g/Cp).y, nh−ng trong thực tế thì không đúng nh− vậy. Trên tầng đối l−u là tầng bình l−u (Stratosphere), tại đây nhiệt độ bắt đầu tăng trở lại. Nhiệt độ tại vùng chuyển tiếp giữa vùng đối l−u và vùng bình l−u khoảng -50oC, càng lên cao nhiệt độ lại tăng dần, tại ranh giới của tầng bình l−u có độ cao khoảng 50km nhiệt độ tăng lên khoảng 0oC. Nguyên nhân gây ra hiện t−ợng này là vì các phân tử oxy (O2) và ozon (O3) hấp thụ một phần các tia cực tím đến từ Mặt trời (90% ozon trong khí quyển chứa trong tầng bình l−u). Nếu tất cả các tia cực tím này có thể đến mặt đất thì sự sống trên trái đất có nguy cơ bị hủy diệt. Một phần nhỏ tia cực tím bị hấp thụ bởi O2 trong tầng bình l−u, quá trình này tách một phân tử O2 thành 2 nguyên tử O, một số nguyên tử O phản ứng với phân tử O2 khác để tạo thành O3. Mặc dầu chỉ một phần triệu phân tử trong khí quyển là ozon nh−ng các phân tử ít ỏi này có khả năng hấp thụ hầu hết ánh sáng cực tím tr−ớc khi chúng đến đ−ợc mặt đất. Các photon trong ánh sáng cực tím chứa năng l−ợng lớn gấp 2 đến 3 lần các photon trong ánh sáng khả kiến, chúng là một trong các nguyên nhân gây bệnh ung th− da. Các kết quả nghiên cứu gần đây cho thấy l−ợng ozon trong tầng thấp nhất của khí quyển (tầng đối l−u) ngày càng tăng, trong khi đó hàm l−ợng ozon trong tầng bình l−u đã bị giảm 6% từ 20 năm trở lại đây. Hậu quả của sự suy giảm này là các tia cực tím có thể xuyên qua khí quyển đến mặt đất ngày nhiều hơn và làm nhiệt độ trong tầng bình l−u ngày càng lạnh đi, trong khi đó nhiệt độ trong tầng đối l−u ngày một nóng lên do hàm l−ợng ozon gần mặt đất ngày càng tăng. Trong tầng giữa (Mesosphere), có độ cao từ 50km trở lên, ozon thình lình mỏng ra và nhiệt độ giảm dần và lên đến ranh giới cao nhất của tầng này (khoảng 80km) thì nhiệt độ chỉ khoảng -90oC. Càng lên cao nhiệt độ bắt đầu tăng trở lại và sự cấu tạo của khí quyển thay đổi hoàn toàn. Trong khi ở tầng d−ới các quá trình cơ học và trong tầng giữa các quá trình hoá học xảy ra rất tiêu biểu, thì trong tầng cao nhất của khí quyển các quá trình diễn ra rất khác biệt. Nhiệt l−ợng 19 bức xạ rất mạnh của mặt trời làm tách các phân tử ra để tạo thành các ion và electron. Vì thế ng−ời ta gọi tầng này là tầng điện ly (Ionosphere) các sóng điện từ bị phản xạ trong tầng này. Càng lên cao, bức xạ Mặt trời trời càng mạnh, ở độ cao khoảng 600km, nhiệt độ lên đến 1000oC. Càng lên cao khí quyển càng mỏng và không có một ranh giới rõ ràng phân biệt gữa khí quyển của trái đất và không gian. Ng−ời ta thống nhất rằng khí quyển chuẩn của trái đất có độ cao 800km. 20 Chổồng 2: NÀNG LặÅĩNG MÀÛT TRÅèI 2.1. Nàng lổồỹng bổùc xaỷ màỷt trồỡi Trong toaỡn bọỹ bổùc xaỷ cuớa màỷt trồỡi, bổùc xaỷ lión quan trổỷc tióỳp õóỳn caùc phaớn ổùng haỷt nhỏn xaớy ra trong nhỏn màỷt trồỡi khọng quaù 3%. Bổùc xaỷ γ ban õỏửu khi õi qua 5.105km chióửu daỡy cuớa lồùp vỏỷt chỏỳt màỷt trồỡi, bở bióỳn õọứi rỏỳt maỷnh. Tỏỳt caớ caùc daỷng cuớa bổùc xaỷ õióỷn tổỡ õóửu coù baớn chỏỳt soùng vaỡ chuùng khaùc nhau ồớ bổồùc soùng. Bổùc xaỷ γ laỡ soùng ngàừn nhỏỳt trong caùc soùng õoù (hỗnh 2.1). Tổỡ tỏm màỷt trồỡi õi ra do sổỷ va chaỷm hoàỷc taùn xaỷ maỡ nàng lổồỹng cuớa chuùng giaớm õi vaỡ bỏy giồỡ chuùng ổùng vồùi bổùc xaỷ coù bổồùc soùng daỡi. Nhổ vỏỷy bổùc xaỷ chuyóứn thaỡnh bổùc xaỷ Rồngen coù bổồùc soùng daỡi hồn. Gỏửn õóỳn bóử màỷt màỷt trồỡi nồi coù nhióỷt õọỹ õuớ thỏỳp õóứ coù thóứ tọửn taỷi vỏỷt chỏỳt trong traỷng thaùi nguyón tổớ vaỡ caùc cồ chóỳ khaùc bàừt õỏửu xaớy ra. Âàỷc trổng cuớa bổùc xaỷ màỷt trồỡi truyóửn trong khọng gian bón ngoaỡi màỷt trồỡi laỡ mọỹt phọứ rọỹng trong õoù cổỷc õaỷi cuớa cổồỡng õọỹ bổùc xaỷ nàũm trong daới 10-1 - 10 àm vaỡ hỏửu nhổ mọỹt nổớa tọứng nàng lổồỹng màỷt trồỡi tỏỷp trung trong khoaớng bổồùc soùng 0,38 - 0,78 àm õoù laỡ vuỡng nhỗn thỏỳy cuớa phọứ. Chuỡm tia truyóửn thàúng tổỡ màỷt trồỡi goỹi laỡ bổùc xaỷ trổỷc xaỷ. Tọứng hồỹp caùc tia trổỷc xaỷ vaỡ taùn xaỷ goỹi laỡ tọứng xaỷ. Mỏỷt õọỹ doỡng bổùc xaỷ trổỷc xaỷ ồớ ngoaỡi lồùp khờ 10exp -8 10exp -6 10exp -4 10exp -2 10exp 0 10exp 2 10exp 4 10exp 6 10exp 8 10exp 10 Tia Gamma Tổớ ngoaỷi Radar, TV, Radio Radio Radio Soùng daỡiSoùng ngàừn Bổùc xaỷ nhióỷt Tia Cosmic Tia X . Gỏửn xa Tia họửng ngoaỷi 25 Aẽnh saùng trong thỏỳy 0.38 - 0.78 Nàng lổồỹng màỷt trồỡi3 ÂÄĩ DAèI BặÅẽC SOẽNG ( Hỗnh 2.1 Daới bổùc xaỷ õióỷn tổỡ 21 quyóứn, tờnh õọỳi vồùi vồùi 1m2 bóử màỷt õàỷt vuọng goùc vồùi tia bổùc xaỷ, õổồỹc tờnh theo cọng thổù : q C TD T= ϕ _ . ( / )0 4100 ÅÍ õỏy ϕD T− - hóỷ sọỳ goùc bổùc xaỷ giổợa traùi õỏỳt vaỡ màỷt trồỡi ϕ βD T− = 2 4/ β - goùc nhỗn màỷt trồỡi vaỡ β ≈ 32’ nhổ hỗnh 2.2 C0 = 5,67 W/m2.K4 - hóỷ sọỳ bổùc xaỷ cuớa vỏỷt õen tuyóỷt õọỳi T ≈ 5762 oK -nhióỷt õọỹ bóử màỷt màỷt trồỡi (xem giọỳng vỏỷt õen tuyóỷt õọỳi) Vỏỷy 4 2 100 5762.67,5. 4 60.360 32.14,3.2 ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ =q ≈ 1353 W/m2 32' 149 500 000 km ± 1.7% Màỷt trồỡi Traùi õỏỳt D = 1 390 000 km D'= 12 700 km Hỗnh 1.2 : Goùc nhỗn màỷt trồỡi Do khoaớng caùch giổợa traùi õỏỳt vaỡ màỷt trồỡi thay õọứi theo muỡa trong nàm nón β cuợng thay õọứi do õoù q cuợng thay õọứi nhổng õọỹ thay õọứi naỡy khọng lồùn làừm nón coù thóứ xem q laỡ khọng õọứi vaỡ õổồỹc goỹi laỡ hàũng sọỳ màỷt trồỡi. Khi truyóửn qua lồùp khờ quyóứn bao boỹc quanh traùi õỏỳt caùc chuỡm tia bổùc xaỷ bở hỏỳp thuỷ vaỡ taùn xaỷ bồới tỏửng ọzọn, hồi nổồùc vaỡ buỷi trong khờ quyóứn, chố mọỹt phỏửn nàng lổồỹng õổồỹc truyóửn trổỷc tióỳp tồùi traùi õỏỳt. Âỏửu tión ọxy phỏn tổớ bỗnh thổồỡng O2 phỏn ly thaỡnh ọxy nguyón tổớ O, õóứ phaù vồợ lión kóỳt phỏn tổớ õoù, cỏửn phaới coù caùc photon bổồùc soùng ngàừn hồn 0,18àm, do õoù caùc photon (xem bổùc xaỷ nhổ caùc haỷt rồỡi raỷc - photon) coù nàng lổồỹng nhổ vỏỷy bở hỏỳp thuỷ hoaỡn toaỡn. Chố mọỹt phỏửn caùc nguyón tổớ ọxy kóỳt hồỹp thaỡnh caùc phỏn tổớ, coỡn õaỷi õa sọỳ caùc Hỗnh 2.2. oùc nhỗn màỷt trồỡi. 22 nguyón tổớ tổồng taùc vồùi caùc phỏn tổớ ọxy khaùc õóứ taỷo thaỡnh phỏn tổớ ọzọn O3, ọzọn cuợng hỏỳp thuỷ bổùc xaỷ tổớ ngoaỷi nhổng vồùi mổùc õọỹ thỏỳp hồn so vồùi ọxy, dổồùi taùc duỷng cuớa caùc photon vồùi bổồùc soùng ngàừn hồn 0,32àm, sổỷ phỏn taùch O3 thaỡnh O2 vaỡ O xaớy ra. Nhổ vỏỷy hỏửu nhổ toaỡn bọỹ nàng lổồỹng cuớa bổùc xaỷ tổớ ngoaỷi õổồỹc sổớ duỷng õóứ duy trỗ quaù trỗnh phỏn ly vaỡ hồỹp nhỏỳt cuớa O, O2 vaỡ O3, õoù laỡ mọỹt quaù trỗnh ọứn õởnh. Do quaù trỗnh naỡy, khi õi qua khờ quyóứn, bổùc xaỷ tổớ ngoaỷi bióỳn õọứi thaỡnh bổùc xaỷ vồùi nàng lổồỹng nhoớ hồn. 1353 W/m2 1000 W/m2 Tia phaớn xaỷ Bổùc xaỷ khuyóỳch taùn Mỏỳt maùt do sổỷ hỏỳp thuỷ Sổỷ phaớn xaỷ Khờ quyóứn Bóử màỷt traùi õỏỳt (Trồỡi quang õaợng) Khoaớng khọng Vuợ truỷ Caùc bổùc xaỷ vồùi bổồùc soùng ổùng vồùi caùc vuỡng nhỗn thỏỳy vaỡ vuỡng họửng ngoaỷi cuớa phọứ tổồng taùc vồùi caùc phỏn tổớ khờ vaỡ caùc haỷt buỷi cuớa khọng khờ nhổng khọng phaù vồợ caùc lión kóỳt cuớa chuùng, khi õoù caùc photon bở taùn xaỷ khaù õóửu theo moỹi hổồùng vaỡ mọỹt sọỳ photon quay trồớ laỷi khọng gian vuợ truỷ. Bổùc xaỷ chởu daỷng taùn xaỷ õoù chuớ yóỳu laỡ bổùc xaỷ coù bổồùc soùng ngàừn nhỏỳt. Sau khi phaớn xaỷ tổỡ caùc phỏửn khaùc nhau cuớa khờ quyóứn bổùc xaỷ taùn xaỷ õi õóỳn chuùng ta mang theo maỡu Hỗnh 2.3. Quaù trỗnh truyóửn nàng lổồỹng bổùc xaỷ màỷt trồỡi qua lồùp khờ quyóứn cuớa traùi õỏỳt. 23 xanh lam cuớa bỏửu trồỡi trong saùng vaỡ coù thóứ quan saùt õổồỹc ồớ nhổợng õọỹ cao khọng lồùn. Caùc gioỹt nổồùc cuợng taùn xaỷ rỏỳt maỷnh bổùc xaỷ màỷt trồỡi. Bổùc xaỷ màỷt trồỡi khi õi qua khờ quyóứn coỡn gàỷp mọỹt trồớ ngaỷi õaùng kóứ nổợa õoù laỡ do sổỷ hỏỳp thuỷ cuớa caùc phỏửn tổớ hồi nổoùc, khờ cacbọnic vaỡ caùc hồỹp chỏỳt khaùc, mổùc õọỹ cuớa sổỷ hỏỳp thuỷ naỡy phuỷ thuọỹc vaỡo bổồùc soùng, maỷnh nhỏỳt ồớ khoaớng giổợa vuỡng họửng ngoaỷi cuớa phọứ. Phỏửn nàng lổồỹng bổùc xaỷ màỷt trồỡi truyóửn tồùi bóử màỷt traùi õỏỳt trong nhổợng ngaỡy quang õaợng (khọng coù mỏy) ồớ thồỡi õióứm cao nhỏỳt vaỡo khoaớng 1000W/m2 hỗnh 2.3. Yóỳu tọỳ cồ baớn xaùc õởnh cổồỡng õọỹ cuớa bổùc xaỷ màỷt trồỡi ồớ mọỹt õióứm naỡo õoù trón traùi õỏỳt laỡ quaợng õổồỡng noù õi qua. Sổỷ mỏỳt maùt nàng lổồỹng trón quaợng õổồỡng õoù gàừn lióửn vồùi sổỷ taùn xaỷ, hỏỳp thuỷ bổùc xaỷ vaỡ phuỷ thuọỹc vaỡo thồỡi gian trong ngaỡy, muỡa, vở trờ õởa lyù. Caùc muỡa hỗnh thaỡnh laỡ do sổỷ nghióng cuớa truỷc traùi õỏỳt õọỳi vồùi màỷt phàúng quyợ õaỷo cuớa noù quanh màỷt trồỡi gỏy ra. Goùc nghióng vaỡo khoaớng 66,5o vaỡ thổỷc tóỳ xem nhổ khọng õọứi trong khọng gian. Sổỷ õởnh hổồùng nhổ vỏỷy cuớa truỷc quay traùi õỏỳt trong chuyóứn õọỹng cuớa noù õọỳi vồùi màỷt trồỡi gỏy ra nhổợng sổỷ dao õọỹng quan troỹng vóử õọỹ daỡi ngaỡy vaỡ õóm trong nàm. Phỏn bọỳ cổồỡng õọỹ bổùc xaỷ õồn saùc E0λ(λ) cuớa màỷt trồỡi õổồỹc xaùc õởnh theo õởnh luỏỷt Planck, coù daỷng: e CE T C 12 5 1 0 . − = λ λ λ Dióỷn tờch phờa dổồùi õổồỡng cong seợ mọ taớ cổồỡng õọỹ bổùc xaỷ toaỡn phỏửn E0 cuớa Màỷt trồỡi. Phỏửn cọng suỏỳt mang tia saùng (AS) thỏỳy õổồỹc laỡ: EAS = ∫∫ ∞ ==−− 0 0010.8,0 10.4,0 0 5,0)(5,0)( 6 6 EdEdE λλλλ λλ E0λ õaỷt cổc trở taỷi λm = 2,98.10-3/T0 = 0,5àm vaỡ E0λmax = E0λ(λm,T0) = 8,3.1013 W/m3 Cổồỡng õọỹ bổùc xaỷ toaỡn phỏửn: E0 = σ0.T04 = 6,25.107 W/m2 Cọng suỏỳt bổùc xaỷ toaỡn phỏửn cuớa Màỷt trồỡi: Q0 = E0.F = π.D2.σ0.T04 = 3,8.1026W. Cọng suỏỳt naỡy bàũng 4.1013 lỏửn tọứng cọng suỏỳt õióỷn toaỡn thóỳ giồùi hióỷn nay, vaỡo khoaớg P = 1013W. EoλΤ W/m³ TN AS HN VT 83 80 60 40 20 00,02 0,4 0,5 0,8 400 50%Eo Eo λ à H.8 - Phỏn bọỳ E (λ) cuớa Màỷt trồỡi oλỗnh 2.4. Phỏn bọỳ E0λ(λ) cuớa màỷt trồỡi 24 2.2. Ph−ơng pháp tính toán năng l−ợng bức xạ mặt trời Cổồỡng õọỹ bổùc xaỷ màỷt trồỡi trón màỷt õỏỳt chuớ yóỳu phuỷ thuọỹc 2 yóỳu tọỳ: goùc nghióng cuớa caùc tia saùng õọỳi vồùi màỷt phàúng bóử màỷt taỷi õióứm õaợ cho vaỡ õọỹ daỡi õổồỡng õi cuớa caùc tia saùng trong khờ quyóứn hay noùi chung laỡ phuỷ thuọỹc vaỡo õọỹ cao cuớa màỷt trồỡi (Goùc giổợa phổồng tổỡ õióứm quan saùt õóỳn màỷt trồỡi vaỡ màỷt phàúng nàũm ngang õi qua õióứm õoù). Yếu tố cơ bản xác định c−ờng độ của bức xạ mặt trời ở một điểm nào đó trên trái đất là quãng đ−ờng nó đi qua. Sự mất mát năng l−ợng trên quãng đ−ờng đó gắn liền với sự tán xạ, hấp thụ bức xạ và phụ thuộc vào thời gian trong ngày, mùa, vị trí địa lý. Quan hệ giữa bức xạ mặt trời ngoài khí quyển và thời gian trong năm có thể xác định theo ph−ơng trình sau: Eng = Eo(1+0, 033cos 365 360n ), W/m2 trong đó, Eng là bức xạ ngoài khí quyển đ−ợc đo trên mặt phẳng vuông góc với tia bức xạ vào ngày thứ n trong năm. 2.2.1. Tính toán góc tới của bức xạ trực xạ Trong quá trình tính toán cần định nghĩa một số khái niệm nh− sau: - Hệ số khối không khí: m, là tỷ số giữa khối l−ợng khí quyển theo ph−ơng tia bức xạ truyền qua và khối l−ợng khí quyển theo ph−ơng thẳng đứng (tức là khi mặt trời ở thiên đỉnh). Nh− vậy m =1 khi mặt trời ở thiên đỉnh, m =2 khi góc thiên đỉnh θz là 600. Đối với các góc thiên đỉnh từ 0-700 có thể xác định gần đúng m =1/cosθz. Còn đối với các góc θz>700 thì độ cong của bề mặt trái đất phải đ−ợc đ−a vào tính toán. Riêng đối với tr−ờng hợp tính toán bức xạ mặt trời ngoài khí quyển m =0. - Trực xạ: là bức xạ mặt trời nhận đ−ợc khi không bị bầu khí quyển phát tán. Đây là dòng bức xạ có h−ớng và có thể thu đ−ợc ở các bộ thu kiểu tập trung (hội tụ). - Tán xạ: là bức xạ mặt trời nhận đ−ợc sau khi h−ớng của nó đã bị thay đổi do sự ph