Solar Radiaton

วิชาอุตุนิยมวิทยาเพื่อการเกษตรพงษศักดิ์ อยูหุน

ภาควิชาวิทยาศาสตรการเกษตรม.นเรศวร

หัวขอที่เรียน

• การแผรังสีของ Blackbody Stefan-Boltzmann Law

• อุณหภูมิและความยาวคลื่น Wiendisplacement law

• Solar constant• Albedo• Diffuse radiation• Radiation Balance

พลังงานจากดวงอาทิตย

• การแผรังสีเปนวิธีเดียวที่ความรอนจะถายเทขามสูญญากาศได

• ดังนั้นรังสีจากดวงอาทิตยเปนพลังงานแหลงเดียวที่โลกไดรับจากดวงอาทิตย

http://www.wilhelm-aerospace.org/Sci-Fi/wsf/effects/4-earth-sun-bright.jpeg

Actinometry• วิชาการแผรงัสี : Actinometryวิชาฟสิคสแขนงหนึ่งที่เกี่ยวกับการศกึษาและการตรวจการแผรงัสี (radiation) ในวิชาอุตนุิยมวิทยาไดแกการตรวจวัดรังสีดวงอาทิตย (solar radiation) รังสีของบรรยากาศ (atmospheric radiation) และรงัสีของโลก (terrestrial radiation)

Blackbody

• วัตถุดํา : Black bodyวัตถุสมมติฐานซึ่งสามารถดูดกลืนปรมิาณการแผรังสีตกไดทั้งหมดโดยไมจํากัดความยาวคลื่นและทิศทาง นอกจากนี้ยังเปนตัวแผกระจายรังสีแมเหล็กไฟฟา (electromagnetic radiation) ออกไปไดหมดทุกชวงคลื่น และสามารถสงรังสีออกมาโดยมีความเขมมากที่สุด ณ อุณหภูมิที่กําหนด

Irradiance

พลังงานรังสีที่แผออกจากวัตถุหนึง่หนวยพืน้ผิว ในหนึง่หนวยเวลา

joule/second/m2

watt/m2

Black Body Radiation

Stefan-Boltzmann Law

E* = sT4

where E* = the blackbody irradiance [in W m-2]s = 5.67x10-8 W m-2 deg-4 (Stefan-Boltzmann constant)T = the temperature of the radiating body [in degrees K]

Irradiance of the Sun

ดวงอาทิตยมอีณุหภูมิเฉลี่ย 5780ºK.

ดวงอาทิตยมีอัตราการแผรังสีที่ปริมาณเทาใด?

Total Radiaton of the Sun

ดวงอาทิตยมีรศัม ี7x108 เมตร

ดวงอาทิตยแผรังสีเปนปริมาณทั้งหมดเทาใด?

EM Spectrum

http://www.lbl.gov/MicroWorlds/ALSTool/EMSpec/EMSpec2.html

Short - wave radiation

• การแผรังสีคลื่นสั้น : Short - wave radiation การแผรังสีซึ่งมีความยาวคลื่นนอยกวา 4 ไมครอน (micron)

Long - wave radiation

• การแผรังสีคลื่นยาว : Long - wave radiationการแผรังสีที่มีความยาวคลื่นมากกวา 4 ไมครอน (micron)

Lightแสงสวาง : Light1. การแผรังสีที่สามารถมองเห็นได (มคีวามยาวคลื่นประมาณ 0.4 - 0.7 ไมครอน) ซึ่งพจิารณาโดยคํานงึถึงประสิทธิภาพของการสองสวาง (luminous efficiency) ซึ่งไดสวนกับความสามารถในการที่จะกระตนความรูสึกของสายตา (sense of sight)

2. คุณสมบัติในการมองเห็น (perception) หรือความรูสึก (sensation) เกีย่วกับการมองเห็นทั้งหมด ซึ่งเปนลักษณะเฉพาะของอวัยวะเกีย่วกับการมองเห็น (organ of vision) และความรูสึกนั้นเกิดขึน้ไดโดยการทํางานของอวัยวะดังกลาว

3. รังสีซึ่งสามารถไปกระตุนอวัยวะเกี่ยวกบัการเห็น (รงัสีซึ่งสามารถมองเห็นได)

Wave Lenght

Wien displacement law

λmax = 2897 / T

where λ max = ความยาวคลื่นที่มีการแผรังสีสูงสุด

[micrometers (mm)]T = อุณหภูมิของวัตถุที่แผรังสี

[degrees K]

Blackbody Spectrum

From http://burro.astr.cwru.edu/Academics/Astr221/Light/blackbody.html

Peak Emission of the Sun

ดวงอาทิตยแผรังสีมากที่สุดที่ความยาวคลื่นเทาไร?

ดวงอาทิตยมีอุณหภูมิเฉลี่ย 5780ºK.

Irradiance of the Earth

ถาพื้นโลกมอีุณหภูมิเฉลี่ยถาพื้นโลกมอีุณหภูมิเฉลี่ย 0 0 ººCC

••โลกมีอัตราการแผรังสีโลกมีอัตราการแผรังสีที่ปริมาณเทาใดที่ปริมาณเทาใด??

••สูงสุดที่ความยาวคลื่นใดสูงสุดที่ความยาวคลื่นใด??

Terrestrial radiation

การแผรงัสีของโลก : Terrestrial radiation

• การแผรงัสีจากผิวพื้นโลกรวมทั้งจากบรรยากาศของโลกดวย

Solar Radiation Solar Radiation at Earth Surfaceat Earth Surface

Solar constantคาคงทีข่องดวงอาทิตย : Solar constant• ปริมาณรังสีดวงอาทิตยที่ตกลงบนหนึ่งหนวยพื้นที่ตอหนึ่งหนวยเวลา ซึ่งพื้นที่นั้นตั้งไดฉากกับแนวรังสีและอยูนอกขอบเขตของบรรยากาศ โดยมีระยะหางเทากับระยะทางเฉลี่ยจากโลกถึงดวงอาทิตย

Solar Constant

คือพลังงานรังสีจากดวงอาทิตยที่ตกกระทบพื้นระนาบตั้งฉากกบัรงัสีที่ระยะทางเฉลี่ยระหวางโลกและดวงอาทิตย

So = E(sun) x (R(sun)/r)2

เมื่อE(sun) = irradiance of the sunR(sun) = รัศมีของดวงอาทิตย r = ระยะทางเฉลี่ยระหวางโลกและดวงอาทิตย

Solar Constant

Solar Constantมีคาเทาไร?

• รัศมีของดวงอาทิตย = 7x105 km• ระยะทางเฉลีย่ระหวางโลกและดวงอาทิตย = 1.5x108 km

Solar Constant

• คาคงที่ของดวงอาทิตย ของสถาบันสมิธโซเนยีนมีคาเทากับ 1.94 หรือ 1.95 กรัม - แคลลอรี่ตอตารางเซนติเมตรตอนาที

Solar Constant

วดัจากดาวเทียมไดประมาณ 1366 w m-2

Solar Constant

โลกจะไดรับพลังงานทั้งหมดเทาไร?

ถาโลกมีพืน้ทีห่นาตัด 127,400,000 km²

Solar Radiation at Angles

จะไดรับพลังงานเทาไร?

บนระนาบทาํมุม30º45 º60 º

กับลําแสงอาทิตย

Solar Spectrum on Earth Surface

http://www.csr.utexas.edu/projects/rs/hrs/process.html

ALBEDO

Albedo (Latin – white) หมายถึงความสามารถในการสะทอนรังสีของพื้นผิวหรือวัตถุ คือสัดสวนของรังสีที่สะทอนออกจากพื้นผิวตอรังสีที่ตกกระทบ

Albedo ของว ากับ 0ัตถุดําสนิทเท

Earth Albedo

โลกมีคา albedo ประมาณ 0.30-0.39

นั่นคือประมาณ 34% ของรังสีจากดวงอาทิตยสะทอนกลับออกไป

Diffuse Radiation

การแผรังสจีากดวงอาทิตยแบบแพรกระจาย ไมใชรังสีตกโดยตรงจากดวงอาทิตย (direct solar radiation)

• Diffuse radiation is radiation that has been scattered by atmospheric constituents (e.g. clouds,particulates,aerosols)

Diffuse Radiation

Global radiation

การแผรังสีของโลก : Global radiation• รังสีรวมของรังสีโดยตรงจากดวงอาทิตย

(direct solar radiation) กับรังสีที่แพรกระจายจากทองฟา (diffuse sky radiation) ซึ่งตกลงมา หรือรบัไวบนพื้นที่หนึ่งหนวยเนื้อที่ในแนวนอน เครื่องมือที่ใชวัดการแผรังสีของโลกเรียกวา ไพรานอมิเตอร (pyranometer)

Atmospheric absorption

การดูดกลืนของบรรยากาศ : Atmospheric absorption

• การเปลี่ยนแปลงพลังงานจากการแผรังสีไปเปนรูปของพลังงานความรอน พลังงานกลศาสตร และพลังงานไฟฟา ฯลฯ เปนตน โดยเกิดปฏกิริยากับสวนประกอบในบรรยากาศรวมถึงการทีป่ริมาณรังสีลดนอยลงในขณะผานบรรยากาศของโลกดวย

Short Wave & Long Wave Radiation

Earth’s Annual Radiation Budget (งบดุลของรังสี)

Short/Long wave vs Latitude

Net radiation

Net radiation• ผลตางระหวางรังสีที่แผลงมากับรงัสีที่สงกลับขึ้นไป (รังสีทั้งหมดและรังสีของโลก) ซึง่ก็คือปรมิาณรงัสีสุทธิ (net flux) ของรังสีทั้งหมด

Radiation Balance

RN = SN + LN

S D LD

RN

LU

SD = Short wave downwardD = Diffused radiationA = AlbedoSN = Net short wave

= (S + D)(1-a)LD = Long wave downwardLU = Long wave upwardLN = Net long wave

= LD - LURN = Net radiation

Net Short Wave

Net Long Wave

Net Radiation

S, L and RN

Energy Balance

RN = P + G + S + LE

S = Sensible heat fluxLE = Latent heat of

evaporation

P = Photosynthesis

G = Ground heat fluxG

P

LE

S

Sensible Heat Flux

Latent Heat Flux

Ground Heat Flux