(Solar Radiation) 3บทที่ 3 พลังงานจากดวงอาท ิตย์ (Solar Radiation) 3.1 ความร้อนในบรรยากาศ ดวงอาทิตยเป์็นดวงดาวที่มีแสงสว่างในต

บทท 3 พลงงานจากดวงอาทตย (Solar Radiation)

3.1 ความรอนในบรรยากาศ ดวงอาทตยเปนดวงดาวทมแสงสวางในตวเอง จดเปนดาวฤกษชน G21 เปนสมาชกหนงในบรรดา ดาวฤกษหนงแสนลานดวงในกาแลกซทางชางเผอก มระยะทางหางจากโลกประมาณ 149.6 x 106 กโลเมตร ม

ขนาดเสนผาศนยกลางยาว 1,390,000 กโลเมตร หรอประมาณ 1.4 ลานกโลเมตร (ใหญกวาโลก 109 เทา) หมนรอบตวเองใชเวลา 25.38 วน มมวล 1.989 x 1030 กโลกรม มวลสารสวนใหญเปนกาซรอนและมความหนาแนนมาก ประกอบดวยไฮโดรเจน 92.1% และฮเลยม 7.8% (นบโดยจานวนอะตอม) ทเหลอจานวน 0.1% เปนโลหะ แหลงพลงงานมหาศาลของดวงอาทตยเกดจากปฏกรยาการหลอมนวเคยส (Nuclear fusion) จากบรเวณใจกลางดวงอาทตย (ปฏกรยานเกดมานานกวา 4,600 ลานปมาแลว) มอณหภมทใจกลางประมาณ 15.6 x 106 เคลวน

(0K) ความกดดน 250 พนลานเทาของบรรยากาศโลก2 อณหภมพนผวเฉลย 5,800 เคลวน ขณะทเปลวสรยะทแผ

ออกมามอณหภมราว 1 ลานองศาเซลเซยสหรอมากกวานน โดยแผรงสไปในทกทศทางในรปแบบคลนแมเหลกไฟฟา (สถานโทรทศน Modernine, ถงความคด (Think tank). (ขอมลออนไลน), 2549)

ดวงอาทตยเปนแหลงพลงงานทสาคญทสดของระบบนเวศวทยาตาง ๆ และเปนปจจยทมผลตอการผนแปรของสภาพลมฟาอากาศ ระบบวฏจกรของบรรยากาศ พลงของลมและพาย พลงงานททาใหเกดลกษณะลมฟาอากาศโดยสวนใหญมาจากพลงงานดวงอาทตย คดเปนรอยละ 99.97 ทเหลอเปนพลงงานอน ๆ ซงถอวามปรมาณทนอยมาก เมอเทยบกบพลงงานทไดรบจากดวงอาทตย เชน ความรอนทไดจาก

ภาพ 3.1 ภาพถายดวงอาทตย บนทกภาพเมอ 19 มกราคม 2548 เวลา 14.19 น. โดยองคการอวกาศยโรป

ทมา : http://www.noaanews.noaa.gov/stories2005/s2372.htm

กระบวนการสลายตวโดยแผกมมนตรงส (Radioactive Decay) ภายในเปลอกโลก พลงงานจากดวงดาวอน ๆ แรงดงดดของดวงอาทตยและดวงจนทร เปนตน กลาวคอพลงงานความรอนจากภายในโลกคดเปน 0.0001 ถง 0.00001 ของพลงงานทไดรบจากดวงอาทตย สวนพลงงานจากดวงจนทรหรอดวงดาวตาง ๆ คดเปนประมาณ _________________________ 1 แบงดวงดาวแบงออกเปน 7 ระดบ ไดแก Classes ระดบ O, B, A, F, G, K, and M โดย O = ดาวเคราะหทรอนทสด สวน

B, A, F, G, และ K เรยงลาดบลงมา และ M = ดาวเคราะหทเยนทสด

2 1 บรรยากาศโลก = 1 bar = 0.987 atmosphere = 1.02 kg/cm^2 = 100 kilopascal = 14.5 lbs/square inch.

ผศ.วฒพงษ แสงมณ 2/2556



ดวงอาทย ผศ.วฒพงษ แสงมณ 2/2556 รายวชาภมอากาศวทยา 426-207

โครงการตำราคณะมนษยศาสตรและสงคมศาตร

ดวงอาทตย

44

0.00000001 ของพลงงานทไดรบจากดวงอาทตยเทานน ดวงอาทตยจงเปนแหลงพลงงานทสาคญและมอทธพลมากตอลมฟาอากาศของโลก (หอดดาวเกดแกว, ดวงอาทตย. (ขอมลออนไลน), 2549) พลงงานความรอนทกระจายจากดวงอาทตยมายงโลก เรยกวา รงสดวงอาทตยหรอพลงงานแสง ดวงอาทตย (Solar radiation หรอ Insolation) ซงแผพลงงานความรอนมายงโลกในลกษณะคลนแมเหลกไฟฟา (Electromagnetic waves) ทเรยกคลนแมเหลกไฟฟาเพราะแสดงคณสมบตเปนไฟฟาและแมเหลกพรอมกน จากการศกษาของ Max Planck (พ.ศ. 2443) นกฟสกสชาวเยอรมน พบวา วตถทกชนดทมอณหภมสงกวา 0 องศาสมบรณ จะแผพลงงานคลนแมเหลกไฟฟาออกมารอบตว โดยพลงงานการแผรงสขณะนนขนอยกบอณหภมของวตถขณะนน คลนแมเหลกไฟฟามความแตกตางกนในดานความยาวและความถของคลน แตเคลอนทดวยอตราความเรวเทากน จานวนของคลนทเคลอนทผานจดหนง ๆ ณ เวลาหนง เรยกวา ความถของคลน ความถของคลนจะแปรผกผนกบความยาว โดยความยาวคลนมากความถคลนสน ความยาวคลนนอยความถคลนยาว ตอมา วลเฮลม เวน (Wilhelm Wien) ไดตงกฎความสมพนธของคลนและพลงงาน (Wien’s law) เขยนเปนสมการได

A λmax =

T ................... สมการ 3.1

กาหนดให λmax = ความยาวชวงคลนทแผพลงงานสงสด

A = 2.898 μm หรอ 0.002898 m T = อณหภม (0K)

เมอโลกไดรบรงสจากดวงอาทตยจะดดกลนพลงงานและแผรงสออกมาในรปของรงสอนฟราเรด ซงมความยาวคลน 2.5 – 30 ไมโครเมตร โดยมความยาวคลนทใหพลงงานมากทสด (λmax) อยท 10 ไมโครเมตร (0.01 มลลเมตร) เรยกรงสชวงนวา รงสคลนสน (Shortwave) เพราะวาม λmax อยในยานทตามองเหน และเรยกรงสทโลกแผออกมาวา รงสคลนยาว (Longwave) เพราะวาม λ max อยในยานอนฟราเรด ดงนนจากสมการ 3.1 เมอนามาหาคาอณหภมของโลกจะไดคาอณหภมของโลกดงตวอยาง 3.1 ตวอยาง 3.1 โลกแผคลนแมเหลกไฟฟาทมความยาวคลน 10 ไมโครเมตร (0.00001008 m) ออกสอวกาศ จงคานวณหาอณหภมเฉลยของโลก วธทา แทนคาในสมการ 3.1 เพอหาคาอณหภมจะไดวา T = 0.002898 m / λ max = 0.002898 m / 0.00001008 m = 287.5 หรอ 288 0K

ดงนน โลกมอณหภมเฉลย = 288 0K (15 0C หรอ 59 0F)







45

3.2 ความยาวคลนของรงสดวงอาทตย พลงงานทดวงอาทตยแผรงสออกมาเปนคลนแมเหลกไฟฟา เดนทางในลกษณะรปแบบคลนดวยความเรวประมาณ 300,000 เมตรตอวนาท มความยาวคลนตงแต 0.001 ไมครอน3 ถง 100,000 เมตร แบงเปนชวงคลนตาง ๆ ดงน (กรต ลวจก, 2543 : 2-6) 1. รงสคลนสน (Shortwave Radiation) มความยาวคลนนอยกวา 0.4 ไมครอน ไดแก รงสอลตรา- ไวโอเลต (Ultraviolet) รงสเอกซ (X-ray) รงสแกมมา (Gamma rays) มประมาณรอยละ 9 2. รงสคลนสายตา (Visible light) มความยาวในชวงคลน 0.4-0.7 ไมครอน เปนแสงสขาว เมอผานปรซมสามารถแยกได 7 ส โดยเรมจากสทมความยาวคลนใกล 0.4 ไปสทมความยาวคลนใกล 0.7 ไมครอน ไดแก สมวง คราม นาเงน เขยว เหลอง แสด และแดง รงสเหลานมประมาณรอยละ 45 3. รงสคลนยาว (Longwave radiation) มความยาวคลนตงแต 0.7 ไมครอนขนไป ไดแก รงสอนฟราเรด (Infrared rays) ไมโครเวฟ (Microwave radar) และคลนวทย (Radio wave) มประมาณรอยละ 46

ภาพ 3.2 ชวงคลนแมเหลกไฟฟา

การเคลอนทของคลนแมเหลกไฟฟาสามารถเคลอนผานไดทงของกาซ ของเหลว และของแขง มทงระยะหางของชวงคลน (Wavelenght) และจานวนความถของคลนในระยะทาง (Wave frequency) นกวทยาศาสตรไดศกษาความยาวคลนของรงสดวงอาทตยและปฏบตงานดานวทยาศาสตรบรรยากาศ เชน การหา ___________________ 3 1 เมตร (m) = 1,000,000 ไมโครเมตร (mm) = 1,000,000,000 นาโนเมตร (nm) (ชวงความยาวคลนวดเปนไมครอน (μ) หรอหนวยองสตรอม (Ungstrom) 1 ไมครอน = 0.0001 ซม. และ 1 องสตรอม = 0.00000001 ซม. หรอ 10-8 ซม.







46

ตาแหนงของพายฟาคะนองโดยการตรวจวดคลนความถตา (สวนมากอยในชวง 5 – 10 กโลเฮรต) การสอสารทางอตนยมวทยาใชคลนปานกลางและคลนสน วทยหย งอากาศใชคลนความถ 400 เมกกะเฮรต ดาวเทยมอตนยมวทยาใชคลนวทยความยาวคลนปานกลาง (137 และ 1,697 เมกกะเฮรต) ในการถายภาพเมฆและอนภาคอน ๆ เรดารอตนยมวทยาใชคลนไมโครเวฟ (10, 5 และ 3 เซนตเมตร) ทาใหทราบการกระจายรงสดวงอาทตยในทศทางตาง ๆ อตราการแผรงสจากดวงอาทตยมาถงชนบรรยากาศของโลก เรยกวา คาคงทของรงสดวงอาทตย (Solar constant) ซงหมายถง คาเฉลยของการสงพลงงานของดวงอาทตย มคาอยระหวาง 1,319 W/m2 ถง 1,430

W/m2 ขนอยกบสภาพอากาศ ละตจด คาคงทของรงสดวงอาทตยลดลงเมอแผเขามาในชนบรรยากาศ เนองจาก

ชนบรรยากาศของโลกมการสะทอน ดดกลนรงสคลนสน รงสดวงอาทตยทสองลงมาถงพนผวโลกโดยตรง

ภาพ 3.3 การวดความถคลน ภาพ 3.4 ระยะระหวางยอดคลน (Wavelenght)

ทมา : ภาพ 3.3 http://imagers.gsfc.nasa.gov/ems/waves3.html และ ภาพ 3.4 http://imagers.gsfc.nasa.gov/ ems/ wave_crest.gif

เรยกวา รงสดวงอาทตย (Direct radiation) สวนรงสดวงอาทตยทไมไดมาถงผวโลกโดยตรง เรยกวา รงสทองฟา (Sky radiation) รงสดวงอาทตยทมาถงผวโลกทงโดยตรงและโดยออมเรยกรวมวา Global radiation นอกจากนนความยาวของคลนยงขนอยกบความถของคลนดวย คลนทมความยาวคลนมากจะมความถตา และคลนทมความยาวคลนสน จะมความถของคลนสง ความถคดเปน ไซเคลตอวนาท หรอ ใชหนวยเปนเฮรต (Hertz) 1 เฮรต เทากบความถของคลน 1 ไซเคลตอวนาท

ภาพ 3.5 ลกษณะความถคลนตามชวงคลนแสง

ทมา : http://www.physicsclassroom.com/Class/sound/u11l2a2.gif







47

ภาพ 3.6 ชวงคลนแสง (Spectrum)

ทมา : http://www.yorku.ca/eye/spectru.htm

ตาราง 3.1 ชวงคลนและความยาวคลนแมเหลกไฟฟา ชวงคลน ความยาวชวงคลน

รงสแกมมา (Gramma ray) < 0.03 nm รงสเอกซเรย (X-ray) 0.03 - 3.0 nm อลตราไวโอเลต (Ultraviolet) 0.03 - 0.04 um Photographic UV Band 0.3 - 0.4 um ชวงคลนแสงสวาง (Visible) 0.4 - 0.7 um อนฟราเรด (Infrared) 0.7 - 1.0 um อนฟราเรดสะทอน (Infrared IR band) 0.7 - 3.0 um

อนฟราเรดความรอน (Thermal IR band) 3 - 5 um 8 - 14 um

ไมโครเวฟ (Microwave) 0.1 - 30 cm เรดาร (Radar) 0.1 - 30 cm วทย (Radio) มากกวา 30 cm

3.3 ปฏสมพนธของพลงงานในชนบรรยากาศ (Energy Interaction in the Atmosphere) การบนทกโดยอปกรณสารวจชวงคลนแสงทเดนทางผานชนบรรยากาศสพนผวโลก และสะทอนกลบสบรรยากาศ พบวา บรรยากาศของโลกกอใหเกดความเปลยนแปลงในดานทศทาง (Direction) ความเขม (Intensity) ความยาวและความถของชวงคลนแสง เพราะชนบรรยากาศประกอบดวยฝ นละออง ไอนา และกาซ

ตาง ๆ ซงมปฏกรยากบคลนแสงในลกษณะตาง ๆ ดงน (พรอมจตร ตระกลดษฐ, 2533 : 13-20) 3.3.1 การกระจดกระจาย (Scattering) เกดขนเนองจากอนภาคเลก ๆ ในบรรยากาศมทศทางการกระจายไมแนนอนขนอยกบขนาดของอนภาคและความยาวชวงคลน การกระจายแยกได 3 ลกษณะคอ







48

1) การกระจดกระจายแบบเรไลจ (Rayliegh scattering) เกดขนเนองจากขนาดของอนภาค มเสนผาศนยกลางเลกกวาความยาวคลนทตกกระทบ ทาใหเกดสภาวะหมอกควน (Haze) 2) การกระจดกระจายแบบม ( Mie scattering) เกดขนเมอขนาดของอนภาคมขนาดใกลเคยงกบความยาวคลน เชน ไอนา ฝ นละออง เกดในความยาวของชวงคลนยาวกวาแบบแรก 3) การกระจดกระจายแบบไรระบบ (Nonselective scattering) เกดขนเมอเสนผาศนยกลางของอนภาคมขนาดใหญกวา ความยาวคลนทตกกระทบ เชน หยดนา โดยทวไปมขนาดเสนผาศนยกลางอนภาค 5-10 ไมครอน โดยจะสะทอนคลนในชวงทตามองเหน (Visible wavelength) และคลนอนฟราเรด (Reflected infrared) ไดเกอบเทากน ซงในคลนชวงตามองเหนปรมาณของคลนสตาง ๆ เชน สน าเงน สเขยว สแดง สะทอนออกทกทศทกทางเทากน ทาใหมองเหนเมฆเปนสขาว

ภาพ 3.7 การกระจายแบบเรไลจ (ซาย) กระจายแบบม (กลาง) กระจายแบบไรระบบ (ขวา)

ทมา : http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/atmos/blusky.html

3.2.2 การดดซบ (Absorption) ในชนบรรยากาศอาจเกดการดดซบในบางชวงความยาวคลน โดยสารทดดซบพลงงานไวในชนบรรยากาศทสาคญ ไดแก ไอนา กาซคารบอนไดออกไซด และโอโซน โดย สารเหลานจะดดกลนพลงงานทมความยาวคลนเฉพาะ ดงนนจะมเพยงบางชวงคลนทสามารถทะลทะลวง หรอผานชนบรรยากาศลงมาบนผวโลกได เรยกวา หนาตางบรรยากาศ (Atmospheric window) โดยยอมใหชวง ความยาวคลนสายตา (0.3 - 0.7 um) และชวงคลนอนฟราเรดทะลผาน ในชนบรรยากาศมกาซทมความสามารถในการดดกลนรงสในชวงคลนตาง ๆ ไดแก

1) กาซออกซเจนและโอโซน จะดดกลนแสงทมความยาวคลนตงแตชวงอลตราไวโอเลตลงมา

ไวเกอบหมด สวนในชวงคลน 0.1 - 0.3 ไมครอน จะดดซบโดยชนโอโซน และในบรรยากาศชนไอโอโนสเฟยร บางสวนจะ สะทอนกลบสอวกาศทาใหรงสในชวงคลนเหลานไมสามารถสองลงมาถงพนผวโลก

ภาพ 3.8 การดดซบความรอนของสารไวในชนบรรยากาศ สารทสาคญ ไดแก CH4, CO2, O2 และไอนา

ทมา : http://ccrs.nrcan.gc.ca/resource/tutor/fundam/chapter1/04_e.php







49

2) กาซคารบอนไดออกไซด ในชนสเตรโตสเฟยรจะดดกลนรงสในชวงคลนประมาณ 15 ไมครอนไว 3) ไอนา สวนใหญกระจายตวอยในบรรยากาศชนโทรโพสเฟยร ซงอยสวนลางสดของบรรยากาศในระดบตากวา 10 กม. สามารถดดกลนพลงงานจากดวงอาทตยและพลงงานจากโลกไดดเกอบทกชวงคลน ยกเวนชวงคลนทตากวา 0.7 ไมครอนลงไป แตการดดกลนสงสดอยในชวงคลนประมาณ 6 ไมครอน 5.3 การหกเห (Refraction) เกดขนเมอแสงเดนทางผานชนบรรยากาศทมความหนาแนนแตกตาง

กนโดยปรมาณการหกเหกาหนดดวยคาดชนของการหกเห ซงเปนอตราสวนระหวางความเรวของแสงในสญญากาศกบความเรว ของแสงในชนบรรยากาศ ผลทเกดจาก การหกเหของแสงมผลตอชนบรรยากาศและพนททรบแสง นอกจากนนยงมผลตอการบนทกภาพของภาพถายดาวเทยม หรอภาพถายทางอากาศดวย

ภาพ 3.9 การหกเหของแสง ทมา : http://sol.sci.uop.edu/~jfalward/refraction/refraction.html

3.4 พลงงานในบรรยากาศ ดวงอาทตยสงพลงงานมายงโลกในรปของรงสคลนสนเปนสวนใหญ แตพลงงานทถกสงกลบออกไปอยในรปของรงสคลนยาว รงสดวงอาทตยเปนแหลงพลงงานหลกททาใหเกดการหมนเวยนของบรรยากาศและมหาสมทร ซงพลงงานเหลานจะถกเปลยนเปนพลงงานในรปตาง ๆ เชน พลงงานความรอน และพลงงานจลนซงอยในวตถทกาลงเคลอนท โดยเฉลยประมาณ 65 % ของรงสดวงอาทตยทเขาสบรรยากาศจะถกดดกลนโดยผวโลกและบรรยากาศ ซงจะเปลยนเปนพลงงานความรอนทาใหผวโลกและบรรยากาศมอณหภมสงขน อยางไรกตามการถายเทพลงงานระหวางพนผวโลกและบรรยากาศจะเกดขนตลอดเวลาโดยมพลงงานเขามาจากดวงอาทตยและบางสวนออกไปจากบรรยากาศทาใหเกดสมดลพลงงานในบรรยากาศ และเนองจากผวโลกในแตละแหงไดรบพลงงานจากดวงอาทตยไมเทากน กลาวคอ ในบรเวณละตจดสงจะไดรบพลงงานจากรงสดวงอาทตยนอยกวาบรเวณทอยในละตจดตา ทาใหเกดการหมนเวยนทวไปของอากาศขน (ดรายละเอยดเพมในบทท 6 เรอง ลม)






http://sol.sci.uop.edu/%7Ejfalward/refraction/refraction.html


50

ภาพ 3.10 ชวงคลนทดวงอาทตยปลอยออกมามากระหวาง 0.1-4.0 μm (ซาย) ชวงคลนทโลกปลอยออกมามากระหวาง 0.5-30 μm (ขวา) ทมา : http://www.physicalgeography.net/fundamentals/6f.html

เมอรงสดวงอาทตยกระทบอนภาคเลก ๆ ในบรรยากาศทมขนาดอนภาคเทากบความยาวคลนรงสดวง

อาทตยจะทาใหเกดการกระจายของอนภาคไปทกทศทาง เรยกวา แอโรซอล (Aerosols)4 ซงผลรวมของแอโรซอลในบรรยากาศกบปรมาณฝ นในบรรยากาศ ทาใหเกดการสะสมปรมาณความรอนในบรรยากาศ ถามมากทาใหเกดภาวะทเรยกวา ปรากฏการณเรอนกระจก (Greenhouse effect) ซงทาใหโลกมอณหภมสงขน การหมนเวยนของบรรยากาศและกระแสนาจงทาใหพลงงานถกถายเทจากบรเวณละตจดตาไปยงละตจดสง จากตาราง 3.2 จะเหนวาในสภาวะบรรยากาศทมเมฆเตมทองฟารงสดวงอาทตยสวนใหญจะสะทอนออกจากบรรยากาศ สวนในกรณททองฟาปราศจากเมฆพนผวโลกจะดดกลนรงสดวงอาทตยไว ซงอาจแจกแจง ไดดงน

ตาราง 3.2 รอยละการดดกลนในบรรยากาศ ทองฟาปราศจากเมฆ มเมฆเตมทองฟา ดดกลนโดยบรรยากาศเหนอโทรโพพอส ดดกลนโดยบรรยากาศชนโทรโพสเฟยร ดดกลนโดยผวโลก สะทอนออกจากบรรยากาศ

2% 20% 61% 17%

2% 19% 28% 51%

รวม 100% 100%

ในสภาวะอากาศปกตทองฟามกจะมเมฆปกคลมประมาณ 54 % ดงนนสวนทปราศจากเมฆ คดเปนประมาณ 46% สามารถแสดงคาเฉลยรงสดวงอาทตยทถกดดกลนโดยผวโลกและบรรยากาศและ สะทอนออกจากบรรยากาศ ซงเรยกวา อตราสวนรงสสะทอนของพนผว (Albedo) หมายถง อตราสวนระหวาง

_______ 4 นอกจากละอองของเหลวในชนบรรยากาศแลวอาจรวมถง หมอก ควน ทแขวนลอยในชนบรรยากาศดวย







51

ปรมาณรงสดวงอาทตยทแผลงมาบนสวนใดสวนหนงของพนผวโลก กบรงสทสะทอนกลบออกไปจากพนผวนน ตอปรมาณรงสดวงอาทตยทตกกระทบพนผว อตราสวนนกาหนดเปนรอยละหรอทศนยม ตวอยาง พนทบรเวณ A มอตราสวนรงสสะทอน เทากบ รอยละ 40 หรอ 0.4 หมายความวา รงสดวงอาทตยทแผลงมา 100 สวน จะสะทอนกลบออกไปสอวกาศ 40 สวน หรอ 4 / 10 และจากการรวมรวบขอมลพบวา ประมาณ 65% ของรงสดวงอาทตยท สงลงมายงโลกจะถกดดกลนโดยผวโลกและบรรยากาศ ดงนนรงสทถกสะทอนกลบมาคดเปน 35% จงอาจกลาวไดวา แอลบโดของโลกและบรรยากาศมคาประมาณ 0.35 อตราสวนรงสสะทอนของพนผวแตละชนดมคณสมบตในการสะทอนรงสไมเทากน แอลบโดของแตละพนผวจงไมเทากน ตวอยางแอลบโดของพนผวบางชนด ตาราง 3.3 อตราสวนรงสสะทอนของพนผว

พนผว แอลบโด (%) พนผว แอลบโด (%) หมะตกใหม 80 ทงหญา 16-20 หมะเกา 5 ปาไมผลดใบ 15-20 ทรายแหง 30 ปาสน 5-15 ทรายแมนา 43 เพาะปลกพชพรรณสเขยว 15-25 ปาทบ 5 ทนดา 15 – 20

นา 3 - 4 ทะเลทราย 25 – 30 ดนดาแหง 14 พนทเขตเมองหนาแนน 15 - 25 นาแขงในทะเล 30 – 40 หญาสงหนาแนน 18 - 20 พดนาแขง 20 - 40 นาขาว 12

ตามหลกการของความสมดลพลงงานในชนบรรยากาศนนพลงงานทเขามาตองเทากบพลงงานท ออกไป แตในความเปนจรงแลวโลกไมไดรบพลงงานและสงผานพลงงานออกไปทนท ทงนมพลงงานท บรรยากาศกกเกบไวเพอรกษาความสมดลไมใหรอนและเยนมากเกนไป ซงอธบายโดยใชกฎของ สเตฟาน-บอลทซมานน (Stefan-Boltzmann law) ดงน

I = σT4 ………………สมการ 3.2

I = ความเขมของรงสดวงอาทตยตอพนท (Energy flux) วตต/ตารางเมตร หรอ 239.2 วตต/ม2

σ = คาคงทท Stefan-Boltzmann กาหนด = 5.67 x 10-8 วตต/ม2 K4

กาหนดให

T = อณหภมของโลก (เคลวน)

จากสมการ 3.2 หาคาอณหภม โดยแทนคาในสมการดงน I 0.25

T = σ

………………สมการ 3.3







52

จากกฎของ Stefan-Boltzmann อธบายพลงงานทกกเกบไวในชนบรรยากาศโดยคานวณตามสมการ 3.3 ดงน แทนคาทกาหนดใหตามสมการ 3.2 ลงในสมการ 3.3

239.2 วตต/ม2 0.25 T =

5.67 x 10-8 วตต/ม2 K4

= 254.9 0K หรอ = 255 0K

ผลการคานวณ พบวา อณหภมของโลกทคานวณไดมคา 255 0K หรอ -18 °C แตจากตวอยาง 3.1

อณหภมของโลกเทากบ 288 0K (15 °C หรอ 59 °F) ซงมผลตางเทากบ 15-(-18)°C = 33 °C แปลความไดวา

โลกมความรอนเกบกกไวในชนบรรยากาศ

3.5 ความสมดลของพลงงานในบรรยากาศ พลงงานจากดวงอาทตยทสองลงมายงโลก เมอผานชนบรรยากาศสวนหนงจะสะทอนออกไปสอวกาศ ไดแก รงสคลนสน เชน รงสเอกซ แกรมมา และมรงสบางสวนผานเขามาแตถกดดซบไวและสะทอนออกไปในชนสเตรโทสเฟยร ไดแก รงสในชวงคลนอลตราไวโอเลต และอกสวนหนงผานมายงชนบรรยากาศใกลผวโลก (ชนโทรโพสเฟยร) ซงมมวลโมเลกลของกาซและฝ นละอองอยเปนจานวนมาก ทาใหความรอนบางสวนถกสะทอนออกไป แตกยงมรงสบางสวนทแผลงมาตกกระทบพนผวโลก พลงงานในบรรยากาศจะไหลเวยนเปนกระบวนการอยางตอเนอง เมอพลงงานเขาสชนบรรยากาศนนจะเกดปฏสมพนธกบชนบรรยากาศในลกษณะตาง ๆ ไดแก การกระจาย การดดกลน และการสะทอน ทงในรปคลนสนและคลนยาว เมอผานลงสพนผวโลก พนผวโลกตองสงกลบพลงงานเหลานนออกไปในปรมาณทเทากน กลาวคอพลงงานทเขามาตองเทากบพลงงานทสงออกไป ถาโลกไดรบพลงงานมากกวาพลงงานทตองสงออกไปจะทาใหโลกมอณหภมสงขน ในทางตรงขามถาไดรบพลงงานเขานอยกวาพลงงานทตองสงออก โลกจะมอณหภมเยนลง หลกการคานวณดลพลงงานทแผเขามาอธบายใหเขาใจอยางงายดงน (ดภาพ 3.11 ประกอบ) ถาสมมตใหพลงงานทโลกไดรบเทากบ 100 หนวย เมอรงสดวงอาทตยแผเขามาในชนบรรยากาศจะสะทอนออกไปโดยการกระจายของชนบรรยากาศ 8 หนวย เมฆ 17 หนวย และพนผวโลกสะทอนกลบทนท 6 หนวย รวมทสะทอนกลบไป 31 หนวย (รงสคลนสน) ชนบรรยากาศดดซบไวโดยไอนาและ อนภาคฝ นในอากาศ 19 หนวย ดดซบโดยเมฆ 4 หนวย รวมแลวเหลอผานเขามายงพนผวโลก 46 หนวย การแผรงสสะทอนออกจากพนผวโลก โลกแผรงสออกไปในรปคลนยาว 15 หนวย บรรยากาศดดซบไว 6 หนวย ผานบรรยากาศออกสอวกาศ 9 หนวย แผออกไปโดยการคายความรอนทรสกได (Sensible heat) 7 หนวย และในรปแบบความรอนแฝง (Latent heat) หรอการระเหย (Evaporation) 24 หนวย รวม 46 หนวย







53

ในสวนความรอนทคงอยในชนบรรยากาศ มคาเทากบ 60 หนวย ไดแก พลงงานทบรรยากาศดดซบไวโดยไอนาและอนภาคฝ นในอากาศ 19 หนวย ดดซบโดยเมฆ 4 หนวยและจากการแผรงส 6 หนวย การคายความรอน 7 หนวย และความรอนแฝง 24 หนวย กจะถกสงออกไปจากชนบรรยากาศ (รงสคลนยาว)

ภาพ 3.11 ดลพลงงานในชนบรรยากาศ

ดดแปลงจาก : http://www.srh.weather.gov/srh/jetstream/atmos/energy_balance.htm

ในชนบรรยากาศมไอนา (Water vapor) CO2 และสวนประกอบอน ๆ ในชนบรรยากาศ ซงชวยปองกนไมใหปรมาณรงสจากดวงอาทตยแผเขามามาเกนไปและชวยทดดซบความรอนไมใหกระจายออกไปในทนท ทาใหโลกมอณหภมในภาวะทเหมาะสมสาหรบการดารงชวต ซงถาไมมกาซเรอนกระจกในชนบรรยากาศ โลกจะมลกษณะอณหภมรอนเรวและเยนเรวเกนไป และอณหภมพนผวโลกอาจมอณหภมประมาณ -20 °C ซงไมเหมาะสมตอการดารงชวตของมนษยและพชพรรณขนาดใหญตาง ๆ ตาราง 3.4 แสดงปรมาณสมดลของพลงงาน

ประเภท รอยละ สวนทเสยไปในบรรยากาศ บรรยากาศสะทอนกลบทนท เมฆสะทอนกลบ

35 9 26

สวนทโลกไดรบ บรรยากาศดดกลน พนผวโลกไดรบ

65 14 51

สวนทโลกสงออก (คลนยาว) การแผรงสจากโลกไปสอวกาศโดยตรง ความรอนแฝง (การระเหยและการกลนตว) การพาและการนาความรอน การแผรงสจากพนผวโลก

51 17 19 9 6







54

ระบบอากาศของโลกทงรอนและเยนทไดรบพลงงานจากดวงอาทตยจะตองถกสงกลบสอากาศเทากบพลงงานทโลกไดรบ อยางไรกตามระบบอากาศโลกบางสวนจะไดรบพลงงานมากกวาการสงกลบสบรรยากาศ ในขณะทระบบอกบางสวน สงพลงงานยอนกลบมากกวาทไดรบ ดงนนระบบอากาศของโลกจงมการถายเทพลงงาน ระหวางสวนทแตกตางของระบบ ซงการถายเทพลงงานนเปนสวนสาคญของกระบวนการททาใหเกดการเปลยนแปลงของลมฟาอากาศและภมอากาศ

3.6 การถายเทพลงงาน (Energy Transfer) พลงงานเกดขนในรปแบบทแตกตางกน มหนวยวดเปนคาลอร โดยถอวา 1 กรมแคลอร คอ พลงงาน ททาใหอณหภมของนา 1 กรม เพมขน 1 องศาเซลเซยส ทระดบความดน 1 บรรยากาศ การถายเทพลงงานมอย 3 วธ ดงน 1. การนาความรอน (Conduction) คอ การถายเทความรอนใหกบวตถทอยใกลกนจากโมเลกลถง โมเลกล โดยทโมเลกลของสารทเปนตวนาไมไดเคลอนท เมอวตถ 2 ชนด มอณหภมไมเทากนมาสมผสกน วตถทรอนกวาจะสงความรอนใหกบวตถทเยนกวา จนกระทงวตถทง 2 มอณหภมเทากน เชน ถาเอามอถอทอนเหลกแลวใหปลายขางหนงแหยเขาไปในเตาไฟ เราจะรสกรอนทปลายขางทเราจบทละนอยดวย ซงเปนผลจากความ

ภาพ 3.12 การนาความรอน จากภาพเทยนสงผานพลงงานความรอนผานโมเลกลเหลกไปถงมอ

ทมา : (Donald, Ahrens C. 2003: 32)

เคลอนไหวของโมเลกลในตวกลาง ทงนเนองจากมการนาความรอนจากเตาไฟผานไปยงทอนเหลก เหลกเปน ของแขงทนาความรอนไดด ซงการนาความรอนเกดขนไดดกบสสารทเปนโลหะ สวนของเหลวและกาซเปนตวนาความรอนทเลว ดงนนลกษณะการนาความรอนในบรรยากาศจงเกดขนนอย

บรรยากาศในเวลากลางวนพนดนไดรบความรอนจะรอนกวาอากาศทอยชนบน ความรอน ถกถายเทจากพนดนไปยงบรรยากาศชนบน แตเนองจากอากาศเปนตวนาความรอนทไมด ทาใหการนาความรอนมความสาคญอยเพยงในบรรยากาศชนลางทใกลหรอสมผสกบพนดนหรอพนนาเทานน (อาจมระดบความสงจากระดบผวพนเพยง 2-3 เมตร) เนองจากคณสมบตของอากาศเปนตวนาความรอนทเลวในทางอตนยมวทยาการนาความรอนจงมบทบาทนอยมากเมอเทยบกบการพาความรอน และการแผรงสความรอน คาความแปรปรวนของการนาความรอนของสสารมตวอยางดงตาราง 3.5







55

ตาราง 3.5 ความแปรปรวนของการนาความรอนของสสาร

สสาร การนาความรอน

(วตต/เมตร/เซลเซยส)

สสาร

การนาความรอน (วตต/เมตร/เซลเซยส)

อากาศสงบ 0.023 (ท 20 0C) นาแขง 2.1 ไม 0.08 นา 0.60 (ท 20 0C) ดนแหง 0.60 หนทราย 2.6 ดนเปยก 2.10 หนแกรนต 2.7 หมะ 0.63 เหลก 80 เงน 427

2. การพาความรอน (Convection) เปนการสงผานพลงงานความรอนโดยโมเลกลของอากาศหรอของไหล (นาและอากาศ) เคลอนทจากแหลงหนงไปยงแหงหนง การพาความรอนเกดขนไดดในวตถทเปนของเหลวและกาซ (เกดขนเฉพาะในสสารทมสถานะเปนของเหลวหรอกาซ) การพาความรอนในลกษณะ Convection นเปนการเคลอนทของโมเลกลในแนวตง เชน ในเวลากลางวนอากาศอนลอยตวสงขน และในมหาสมทรกระนาอน เชน กลฟสตรมไหลขนไปทางเหนอขนานกบชายฝงทะเลดานตะวนออกและตะวนออกเฉยงใตของสหรฐอเมรกา ซงเปนการเคลอนทของตวกลางทไดรบความรอนโดยการเคลอนไหวของนา การพาความรอนเปนกรรมวธการถายเทความรอนทสาคญในบรรยากาศและเกดขนเปนประจาตามธรรมชาตของอากาศ โดยสามารถเกดขนไดทงในแนวดง (Convection) และในแนวระดบ (Advection) ปกต

การพาความรอนในแนวระดบจะเกดขนนานกวา ในแนวดง สวนการพาความรอนในแนวดงมกเกด ขนในบรเวณแคบ ๆ แตรวดเรวกวาแนวราบ

ภาพ 3.13 ความรอนจากกองไฟเคลอนทผานอากาศมาถงมอ ทมา : http://etap.org/newsletter/newsletter_02_05/lesson3/instruction1tutor.html

การเคลอนทของมวลอากาศอนหรอมวลอากาศเยนเปนตวอยางของการพาความรอนในแนวระดบ สวนการกอตวของเมฆเปนตวอยางของการพาความรอนในแนวดง การพาความรอนในแนวดงและแนวระดบทาใหอากาศมการผสมผสานกนอยางทวถง และทาใหเกดลมฟาอากาศแบบตาง ๆ 3. การแผรงส (Radiation) หมายถง การแผกระจายของพลงงานแมเหลกไฟฟาในบรรยากาศโดยไมจาเปนตองอาศยสอกลางเหมอนการนาความรอนและการพาความรอน เชน การแผรงสจากดวงอาทตยจะสงพลงงานแสงสวางและพลงงานความรอนไปพรอมกน หรออยางใดอยางหนง เชน ในเวลากลางวนโลกไดรบแสงอาทตยในรปคลนสน แตในเวลากลางคนโลกจะแผรงสคลนยาวออกไป เปนตน ในดานอตนยมวทยาการศกษาเกยวกบรงส จะมงเนนศกษาถงรงสทตกสพนโลกในรปของพลงงาน







56

คลนสนและพลงงานคลนยาว ซงเปนสมดลของพลงงานความรอน (Thermal balance) ของโลก และศกษาคณสมบตการดดกลนรงสของกาซตาง ๆ ทเปนสวนประกอบของบรรยากาศ เชน ละอองนา CO2 และโอโซน เปนตน คณะกรรมการดานเครองมอและวธการตรวจอากาศขององคการอตนยมวทยาโลก (WMO) ดาเนนการศกษาการแผรงสโดยการตรวจวดรงสจากดวงอาทตยและรงสจากพนโลก (Terrostrial Radiation) และไดเสนอแนวการศกษาเกยวกบการเปลยนแปลง (Transformation) ของพลงงานระหวางโลกกบบรรยากาศและ การผนแปร (Variation) ของพลงงานทเกยวกบระยะเวลา (Time) และระยะทาง (Space)ไว ดงน 1) เพอวเคราะหเกยวกบความสลว (Tubidity) ของบรรยากาศ และสวนประกอบตาง ๆ ของบรรยากาศ เชน ฝ นละอองและไอนา 2) เพอศกษาเกยวกบการแผกระจาย (Distribution) และการผนแปร (Variation) ของปรมาณรงสทตกสพนโลก รงสทแผจากพนผวโลก รวมทงปรมาณรงสรวมของโลกและดวงอาทตย 3) เพอศกษาเกยวกบคณสมบตและประโยชนของรงสในดานทเกยวของกบสาขาวชาอน คอ ชววทยา การแพทย การเกษตร และอตสาหกรรม การบนทกขอมลทเกยวกบการถายเทรงสระหวางแผนดนกบอากาศ และการศกษาเกยวกบรงส ดวงอาทตยจาเปนตองบนทกขอมลเกยวกบรงสดวงอาทตยและรงสจากพนผวโลก โดยรวบรวมขอมลทางอตนยมวทยาไดจากสถานตรวจวดอากาศทกระจายอยในภมประเทศและภมอากาศแตกตางกน

3.7 ปจจยทมผลตอปรมาณความรอนทโลกไดรบจากการแผรงสของดวงอาทตย อทธพลทมตอปรมาณพลงงานรงส (Quantitative effects) พลงงานดวงอาทตยทโลกไดรบถกนามาใชในการระเหยนา ใหความรอนแกอากาศ พนดนและขบเคลอนกระบวนการสงเคราะหแสง รวมทงทาใหเกดสภาพลมฟาอากาศตาง ๆ บนโลก ปรมาณรงสดวงอาทตยทตกลงบนหนงหนวยพนทระนาบของพนโลกขนอยกบปจจยตาง ๆ ทสาคญ ประกอบดวย 1. คาคงทรงสดวงอาทตย (Solar constant) หมายถง ฟลกชความหนาแนนของรงสดวงอาทตยทตงฉากกบพนผวนอกของบรรยากาศโลก คาคงทรงสดวงอาทตยทคานวณไดมคาโดยประมาณ 1,367 + 1.6 วตตเมตร2 หรอประมาณ 4,921 กโลจล เมตร-2 ชวโมง-1 ทระยะทางหนงหนวยดาราศาสตร ซงมคาเทากบ 1.496 x108 กโลเมตร (ทขอบนอกบรรยากาศระยะทางเฉลยระหวางโลกและดวงอาทตย) คาคงทของรงสดวงอาทตยมประโยชนในดานธรณฟสกส (Geophysics ) โดยเฉพาะในเรองท เกยวกบสมดลของความรอนในบรรยากาศเบองบน อยางไรกตามหลกฐานขอมลในปจจบน พบวา พลงงานของ ดวงอาทตยทสงออกมามคาความแตกตางกนนอยมาก โดยความแตกตางจะไมมผลกระทบตอลกษณะอากาศในแตละวน แตอาจมความสมพนธกบสภาพการเปลยนแปลงของภมอากาศบางอยางได เชน ความแตกตางในองคประกอบของสเปคตรมรงสดวงอาทตยบางชวงคลน โดยเฉพาะอยางยงรงสอลตราไวโอเลตอาจเปนสวนสาคญทมผลตอลมฟาอากาศได ทงนปจจยหลกททาใหโลกมความผนแปรของปรมาณความรอนทตางกนใน







57

บรรยากาศนนนาจะมสาเหตจากระยะเวลาทรบแสง และความเขมของรงสทตกกระทบตอพนทหนาตดมากกวาคาคงทของรงสทดวงอาทตยแผออกมา 2. มมของการตกกระทบ (Angle of incidence) เมอรงสดวงอาทตยทามมตกกระทบกบพนระนาบใด ๆ ทาใหความเขมของรงสแตกตางกนขนอยกบมมทตกกระทบนนถาเปนมมฉากจะมความเขมของรงสมาก แตถาเปนมมเฉยงความเขมของรงสจะลดลงกวามมฉาก บรเวณทไดรบแสงอาทตยในแนวเฉยง แสงอาทตยจะแผ ปกคลมเปนบรเวณกวางกวา ทาใหความเขมของรงสลดนอยลง ความเขมของพนทใด ๆ ทรงสตกกระทบสามารถคานวณไดโดยกฎโคไซนของแลมเบรต (Lambert 's cosine Law) ทกลาววา ความเขมของรงสทเปลงออกมาในทศทางใด ๆ จากหนวยพนทผว การแผรงสจะผนแปรกบมมโคไซนระหวางเสนตงฉากของพนผวกบทศทางของการแผรงส ซงคานวณไดจากสมการ

I = IO cos θ …………………..สมการ 3.3

เมอกาหนดให IO คอ ความเขมรงสดวงอาทตยบนพนผวตงฉากกบแหลงของการแผรงส θ คอ คามมเซนท (Zenith angle) คอ จดในทองฟาซงอยปลายสดของเสนทลากในแนวตงจากจดทตรวจบนพนโลกไปในทองฟา

นอกจากนคา I สามารถคานวณไดจากสมการ

I = IO sin α …………………..สมการ 3.4

เมอ α คอ คามมความสงของดวงอาทตย (Solar altitude) และมคาเทากบ 90- θ

รงสตรง รงสเฉยงทละตจดกลาง รงสเฉยงทขวโลก

ภาพ 3.14 มมตกกระทบของรงสดวงอาทตยตามละตจด (Solar altitude)

ภาพ 3.20 ชนดของรงสดวงอาทตยทสองลงสพนผวโลก

ทมา : http://www.uwm.edu/Course/416-120/Chapter02/fg02_012.jpg และ(Aguado, Edward and Burt, James E. 2001: 52)

ความรอนทตกกระทบกบบรรยากาศของโลกในแนวตงฉากตอพนท 1 ตารางเซนตเมตร ใน 1 นาท คดเปนหนวยความรอนเฉลยประมาณ 2 แครอลตอตารางเซนตเมตร







58

3. ระยะหางระหวางโลกกบดวงอาทตย เนองจากโลกหมนรอบดวงอาทตยเปนวงร ดงนนระยะทางระหวางโลกกบดวงอาทตยในแตละวนจะเปลยนแปลงอยตลอดเวลา ชวงระยะทอยใกลดวงอาทตย ความเขมของแสงอาทตยจะมาก ถาอยหางจากดวงอาทตยความเขมของแสงอาทตยจะลดลง ระยะทโลกอยหางจากดวงอาทตยจะผนแปรไปบางเลกนอยขนอยกบตาแหนงโคจรของโลก โดยในวนท 3 มกราคม เปนตาแหนงทโลกอยใกลดวงอาทตยมากทสด เรยกวา เปรเฮลออน (Perihelion) มระยะทางประมาณ 147.5 ลานกโลเมตร และในวนท 4 กรกฎาคมเปนตาแหนงทโลกอยไกลดวงอาทตยมากทสด เรยกวา อะเฟลออน (Aphelion) มระยะทาง 152.5 ลานกโลเมตร อยางไรกตามเมอเปรยบเทยบระยะทางระหวางดาวเคราะหทอยหางจากดวงอาทตย 100

ภาพ 3.15 วนทโลกมระยะหางจากดวงอาทตยไกลทสดและใกลทสด

ลานกโลเมตรกบ 300 ลานกโลเมตร พบวา ดาวเคราะหทอยหางจากดวงอาทตย 300 ลานกโลเมตร ความเขมของปรมาณรงสนอยกวาเพยง 1/9 ของดาวเคราะหทอยหางจากดวงอาทตยเพยง 100 ลานกโลเมตรเทานนขณะทโลกอยหางโดยเฉลยประมาณ 150 ลานกโลเมตร

อาจกลาวไดวาการเกดฤดกาลของโลกเมอพจาณาจากระยะหางระหวางโลกกบดวงอาทตยเปนปจจยเพยงเลกนอยเทานน แมวาแนวโคจรของโลกรอบดวงอาทตยจะเปนวงร เนองจากระยะทโลกหางดวงอาทตยนอยทสดเมอเทยบกบระยะทโลกหางดวงอาทตยมากทสด แคประมาณ 2% เทานน ดงนนการเกดฤดกาลนาจะขนอยกบปจจยอนเปนสาคญ 4. ความโปรงใสของบรรยากาศ มความสาคญตอปรมาณรงสจากดวงอาทตยทบรรยากาศและ พนโลกไดรบ ฝ น เมฆ ไอนา และกาซตาง ๆ มสวนในการกระจาย การสะทอน และการดดรบรงสจากดวงอาทตย ในบรเวณทมเมฆหนาทบ หรออากาศทมมลภาวะพนผวโลกและบรรยากาศใกลผวพนจะไดรบรงสจาก ดวงอาทตยโดยตรงนอยลง เพราะมการสะทอนแสงอาทตยกลบไปมากแตสามารถคายความรอนไดชา 5. ความยาวนานของกลางวน (Day length) ความยาวนานของกลางวนจะแตกตางไปตามระดบละตจดและฤดกาล บรเวณศนยสตรจะมกลางวนและกลางคนเทากน สวนบรเวณเหนอละตจด 66 ½ องศาขนไป ในฤดรอนระยะเวลากลางวนจะยาวนานทสดประมาณ 24 ชวโมง และในฤดหนาวจะมกลางวนนอยทสด คอ 0 ชวโมงหรอเปนกลางคนตลอด 24 ชวโมง







59

ตาราง 3.6 แสดงจานวนวนในซกโลกเหนอทมความยาวนานของกลางวน จาแนกตามละตจด ละตจด ความยาวนานของกลางวนเปนชวโมง ละตจด ความยาวนานของกลางวนเปนชวโมง

0 17 41 49 13

12 13 15 16 20

66 ½ 67 21’ 69 51’

90

24 1 เดอน 2 เดอน 6 เดอน

6. ฤดกาล (Season) โลกหมนรอบตวเองใชเวลา 1 วน หมนรอบดวงอาทตย 1 รอบใชเวลา 365 ¼ วน ฤดกาลตาง ๆ อาจไมเกดขน ถาแกนของโลกตงฉากกบพนราบของวงโคจรโลกกบดวงอาทตย เพราะโลกจะมเวลากลางวนและกลางคนเทากน แตเนองจากแกนของโลกทามม 23 ½ กบเสนตงฉากกบพนราบแหงวงโคจร ทาใหบรเวณตาง ๆ บนพนโลกไดรบรงสจากดวงอาทตยไมเทากน จงเกดฤดตาง ๆ ขน ไดแก ฤดรอน (Summer ) ฤดใบไมรวง (Autum) ฤดหนาว (Winter) และฤดใบไมผล (Spring) ซงนาไปสปรากฏการณการเปลยนแปลงของ ลมฟาอากาศและภมอากาศการโคจรรอบดวงอาทตยของโลกในลกษณะวงร ทาใหตาแหนงแสงตงฉากบนโลกเปลยนไปซงมผลตอปรมาณรงสดวงอาทตยบนพนโลก โดยตาแหนงตาง ๆ ทเปลยนไปทสาคญประกอบดวย 6.1 วนวษวต (Equinox) หมายถง วนทมชวงเวลาในรอบวนทดวงอาทตยแผรงสผานแนวศนยสตรหรอแสงอาทตยตงฉากทเสนศนยสตร เกดขนปละ 2 ครง ในซกโลกเหนอ เรยกวา วนวสนตวษวต (Vernal equinox) ตรงกบวนท 21 หรอ 22 มนาคม หลงจากนน โลกจะเรมหนซกโลกเหนอเขาสดวงอาทตยมากขน ทาใหซกโลกเหนอไดรบความรอนจากดวงอาทตยเพมขน และวนศารทวษวต (Autumnal equinox) ตรงกบวนท 22 หรอ 23 กนยายน เปนวนทแนวแสงอาทตยททมาจากซกโลกเหนอผานมาตงฉากยงเสนศนยสตรอกครงกอนเคลอนไปทางซกโลกใต เวลาทง 2 นมชวงเวลากลางวนเทากบชวงเวลากลางคนในซกโลกใตจะสลบตรงกนขามซกโลกเหนอ 6.2 วนอายน (Solstice) คาวา "Solstice" แปลวา อยกบท วนอายนเปนวนทพนผวโลกมแนวตาแหนงแสงตงฉากจากแสงอาทตยเคลอนทไปตงฉากอยเหนอสดและใตสดจากเสนศนยสตร โดยตงฉากทละตจด 23 ½ องศาเหนอ หรอ 23 ½ ใต ในรอบ 1 ป เกดขน 2 วน ดงน

ภาพ 3.16 การหมนของโลกรอบดวงอาทตยและวนเรมตนฤดกาล







60

6.2.1 วนอตรายน หรอครษมายน (Summer solstice) เปนวนทแสงดวงอาทตยตงฉากกบพนผวโลกอยเหนอสดจากเสนศนยสตรขนทางซกโลกเหนอ ซงมกตรงกบวนท 21 หรอ 22 มถนายนของป เนองจากเปนวนทซกโลกเหนอเอยงเขาหาดวงอาทตยมากทสดแสงอาทตยตงฉากประมาณละตจด 23 ½ เหนอ ทาใหรงสของดวงอาทตยสองขนไปถงเสนอารกตกเซอรเคล ซกโลกเหนอจงมเวลากลางวนยาวนานกวากลางคน โดยในบรเวณขวโลกเหนอจะมเวลากลางวนเกอบตลอด 24 ชวโมง (ดวงอาทตยขนประมาณเวลา 03.00 น. และตกประมาณ 20.00 น.) ขณะเดยวกนในวนนในซกโลกใตรงสดวงอาทตยจะสองผานไปทางซกโลกใตเพยงละตจดท 66 ½ องศาใต ซงใตเสนขนาน 66 ½ องศาใตลงไปหาขวโลกใต รงสของดวงอาทตยจะไมสามารถสองลงไปถงเลย กลาวคอขวโลกใตจะมเวลากลางคนเกอบตลอด 24 ชวโมง

ภาพ 3.17 ภาพถายทเชอมตอแสดงตาแหนงดวงอาทตยในชวงเวลา 19.00 – 04.00 น. ทประเทศฟนแลนด

ภาพ 3.18 ภาพถายดวงอาทตย เวลาเทยงคนทตาบล

Nordkapp, ประเทศ Norway (ละตจด 710 21’ 20”)

ทมา : ภาพ 3.17 http://www.cheapflights.co.uk/TravelGuide/Finland/index.html และ ภาพ 3.18 http://en.wikipedia.org/wiki/ Midnight_sun

6.2.2 วนทกษณา (Winter solstice) หลงจากนน อก 6 เดอนตอมา คอในวนท 21,22 ธนวาคม โลกโคจรมาอยในตาแหนงตรงขามกบวนอตรายน แกนของโลกในซกโลกใตเอยงเขาหาดวงอาทตยมากทสด โดยในตอนเทยงวนรงสของดวงอาทตยจะตงฉากกบพนผวโลก ทเสนทรอปก ออฟ แคนเซอร (ละตจด23 ½ องศาใต) ในซกโลกเหนอรงสของดวงอาทตยจะสองผานมาถงเพยงเสนขนาน 66 ½ องศาเหนอเทานน ทาใหซกโลกเหนอระหวางเสนขนาน 66 ½ - 90 เหนอ เปนเวลากลางคนเกอบตลอด 24 ชวโมง สวนซกโลกใตระหวางเสนขนาน 66 ½ - 90 ใต เปนเวลากลางวนเกอบตลอด 24 ชวโมงเชนกน ดงนนซกโลกเหนอเปนฤดหนาว ซกโลกใตเปนฤดรอน ระยะเวลากลางวน (Day length) ตงแตดวงอาทตยขนจนกระทงตกดนของวนใด ๆ ตามละตจดใด ๆ มความผนแปรขนอยกบมมชวโมงการขนของดวงอาทตย (Summer hour angle) ทสมพนธกบการบายเบนของดวงอาทตยและละตจด







61

ภาพ 3.19 ลกษณะของแนวละตจดททามมกบแนวรงสดวงอาทตยในวน Equinox และวน Solstice

ทมา : http://www.earth.rochester.edu/fehnlab/ees215/fig17_3.jpg

7. อทธพลของเมฆตอรงสทไดรบจากดวงอาทตย (Effect of clouds on radiation receipts) เมฆม อทธพลอยางมากตอการลดปรมาณพลงงานรงสดวงอาทตย อทธพลนเปลยนแปลงไปกบชนดของเมฆในทองฟา ซงความสมพนธทางปรมาณนนมความไมแนนอน ขนอยกบสภาพทวไปของเมฆ แตพอสรปไดวา เมฆชนสงจะม อทธพลนอยกวาเมฆทอยในชนตาลงมา กลาวคอ เมฆชนซรรส (Cirrus clouds) มอทธพลนอยกวาเมฆควมลส (Cumulus) ซงเปนกอนกระจายในทองฟาชวงฤดรอน โดยมกทาใหรงสดวงอาทตยเกดการสะทอนกลบไปกลบมาระหวางกอนเมฆ ทาใหปรมาณรงสดวงอาทตยทสองมาถกสะทอนกลบออกสอวกาศมากขน แตในเวลากลางคนเมฆจะดดกลนรงสคลนยาวทแผขนไปจากผวโลกและสะอนลงมาทาใหพนผวมความรอนมากขนเชนกน การวดปรมาณเมฆในทองฟาขณะใดขณะหนง เปนการประมาณดวยสายตา ในขณะนนวามปรมาณเมฆทงหมดเปนกสวนของทองฟา โดยแบงทองฟาออกเปนสดสวนชนดของรงสดวงอาทตยทแผลงสพนผวโลก รงสจากดวงอาทตย เมอสงผานเขามาในชนบรรยากาศใกลพนผวโลก โมเลกลของกาซ ฝ น ละอองและเมฆในบรรยากาศชนโทรโพสเฟยร จะทาใหความรอนบางสวนถกสะทอนกลบออกไปในอากาศ บางสวนจะผานลงมายงพนผวโลกและบางสวนกระจายอยในชนบรรยากาศ โดยรงสทผานลงมาในวนททองฟา

แจมใส ไมคอยจะมเมฆ พลงงานดวงอาทตยเมอสองผานชนบรรยากาศลงมาถงพนผวโลกบรเวณใด ๆ จะ







62

ประกอบดวยรงสชนดตาง ๆ คอ 1. รงสตรง (Direct radiation) หมายถง รงสตกกระทบพนโลกโดยตรงไมม ไมมการ เปลยนแปลงทศทาง 2. รงสกระจาย (Scatted radiation) หมายถง รงสมทศทางเปลยนแปลงไปโดยการกระจายจากโมเลกลของกาซ ฝ นละอองตาง ๆ และจากสารแขวนลอยในชนบรรยากาศ 3. รงสสะทอน (Reflected radiation) หมายถง รงสทมทศทางเปลยนแปลงไปโดยการสะทอนจากเมฆ

รงสตรง รงสเฉยงทละตจดกลาง รงสเฉยงทขวโลก

ภาพ 3.20 ชนดของรงสดวงอาทตยทสองลงสพนผวโลก ทมา : (Aguado, Edward and Burt, James E. 2001: 52)

3.8 เครองมอและการตรวจวดการแผรงสของดวงอาทตย การตรวจวดรงสดวงอาทตยทสองถงพนผวและสะทอนออกจากผวโลกเปนการตรวจวดคาตวแปรท สาคญทสดตอระบบบรรยากาศ ซงการตรวจวดรงสมจดมงหมายและความสาคญดงน 1) เพอศกษาการถายเทพลงงานภายในระบบบรรยากาศโลกและการแปรเปลยนตามเวลาและสถานท 2) การวเคราะหคณสมบตและการกระจายของบรรยากาศเนองจากสวนประกอบตาง ๆ เชน อนภาค ไอนาและโอโซน เปนตน 3) การศกษาการกระจายและการแปรผนของรงสตกกระทบ สะทอนและรงสสทธ 4) ความจาเปนทางดานชววทยา การแพทย การเกษตร สถาปตยกรรม และอตสาหกรรมท เกยวของกบรงสดวงอาทตย 5) เพอการหาคาจากการตรวจวดรงสดวยดาวเทยม เครองมอทใชตรวจวดแสงอาทตย สวนใหญใชตรวจวดความเขมของรงสและวดระยะเวลาทมแสงแดด ทนยมใชในปจจบนมดงน 1) ไพรอะโนมเตอร (Pyranometer) เปนเครองมอพนฐานทนยมกนมากเพอวดความเขมของพลงงานแผรงสจากดวงอาทตยทงรงสตรง รงสกระจายและรงสสะทอน ไพรอะโนมเตอรอาจทาจากสารกงตวนาของซลกอน หรออาจใชเทอรโมไพลของโลหะดาและขาวกได ไพรอะโนมเตอรใชตรวจวดรงสดวงอาทตยทม







63

ความยาวในชวงคลนระหวาง 0.4-2.5 ไมโครเมตร การศกษาพลงงานดวงอาทตยเพอการเจรญเตบโตของพชมกตดตงเครองไพรอะโนมเตอรขนาดเลกไวเหนอแปลงพช และใชไพรอะโนมเตอรแบบกระบอกยาวตรวจวดพลงงานแสงอาทตยในพมไม ตามระดบความสงตาง ๆ เพอวดคาพลงงานแสงอาทตย ณ ระดบความสงตาง ๆ 2) ไพรอะโนกราฟ (Pyranograph) ใชวดรงสคลนสนไดอยางตอเนอง โดยแสดงผลอออกมาเปนกราฟ ซงสามารถวดความเขมของรงสคลนสนในโลกไดในชวง 0-1,500 W/m2 คาบนทกเปนเสนกราฟทไดจาก

เครองแอคทโนกราฟ (Actinograph) 3) ไพรยออมเตอร (Pyrgeometer) เปนเครองมอทใชวดความเขมของพลงงานการแผรงสคลนยาวของโลกสบรรยากาศโดยตรง (Atmospheric radiation) ซงตกลงบนพนราบสดาทมอณหภมเทากบอากาศรอบ ๆ เครองมอนออกแบบใหใชงานใน 2 แบบ คอถาหงายขนใชวดรงสดวงอาทตยทเขามาสบรรยากาศ ถาคว าลงจะใชวดรงสการสะทอนจากโลกและจากบรรยากาศ

ภาพ 3.21 ไพรยออมเตอร ภาพ 3.22 ไพรอะโนมเตอร

ทมา : ภาพ 3.17 http://oink.asrc.cestm.albany.edu/~rss/peter/p/labs/roof.html และ ภาพ 3.18 http://www-imk.fzk.de/asf/mira/ Merida/Metdata/metdata.htm

4) ไพรเรดโอมเตอร (Pyrradiometer) เปนเครองมอทใชวดรงสรวมของโลก (Total radiotion) ซงสามารถวดไดทงรงสคลนสนและรงสคลนยาว ดานทหงายขนวดรงสคลนยาวของโลก ดานทคว าลงใชวดรงสโลกและรงสสะทอนจากบรรรยากาศ (รงสรวม หมายถง การรวมกนของรงสโลกและรงสดวงอาทตย)

ภาพ 3.23 ไพรอะโนกราฟ ภาพ 3.24 ไพรเรดโอมเตอร

ทมา : ภาพ 3.19 http://www.forestry-suppliers.com/images/200/5495_w2.jpg ภาพ 3.20 http://www.schenk.co.at/schenk/ 8111.html







64

5) เครองบนทกชวงเวลาทมแสงแดด (Sunshine records) แบบทนยมใชงานทวไปเนองจากมราคา ถก คอ แบบแคมปเบลลสโตกส (Campbell-Stokes) มลกษณะเครองเปนลกแกวทรงกลมตน (Glass sphere) เสนผาศนยกลาง 10.2 เซนตเมตร (± 3 มลลเมตร) แกนทใชยดลกแกววางตวอยในแนวเหนอ-ใต การตดตงตองใหแนวเอยงสมพนธกบละตจดของสถานททตดตง หลกการของเครองมอนคอ เมอแสงแดดสองผานลกแกว ลกแกวจะโฟกสแสงทาใหเกดรอยไหมลงบนกระดาษกราฟทนาไปรองรบไวขางลางลกแกว กระดาษกราฟดงกลาวเปนกระดาษชนดพเศษทเคลอบสารเคมเพอใหเกดรอยเผาไหมเฉพาะสวนทถกแสง และไมเปอยยยเมอถกฝน การเกดรอยเผาไหมนนเกดขนเมอไดรบรงสทมความเขมประมาณ 280 W/m2 ความยาวทเกดขนในแตละวนบนกราฟจะ

อานคาเปนจานวนชวโมง อยางไรกตามกรณทไมพบรอยไหมบนกระดาษกราฟน นไมไดหมายความวาวนน นไมมแสงแดด แตอธบายไดวาในวนดงกลาวมปรมาณแสงแดดนอยกวา 280 W/m2 และในวนนนรงสทสองลงมา

กระทบพนผวโลกเปนรงสทมาจากการกระจายเทานน ไมมรงสตรงผานลงมา เครองมอวดแสงแดดมประโยชนมากในการคาดคะเนปรมาณรงสดวงอาทตยทลงมาสพนผวโลก ทาใหนาไปประกอบการพจารณาเลอกเพาะปลกพชชนดตาง ๆ

ภาพ 3.25 แคมปเบลลสโตกส เปนเครองมอบนทกชวงเวลาทมความเขมแสงแดดมากกวา 280 วตตเมตร-2

ทมา : http://home.wxs.nl/~neele050/afbeeldingen/CampbellStokes.jpg.

6) การตรวจวดรงสชนดพเศษ ใชเครองมอทเรยกวา Illuminance meter ตรวจวด Daylight (Direct, Diffuse, Global luminance) ชวงคลน 380-780 นาโนเมตรทตามนษยมองเหนได 7) การตรวจวดรงสอลตราไวโอเลต โดยเครองมอชนดตางๆ แบงเปน 3 ชนด ไดแก 7.1) ชนด Broadband sensors จะอนทเกรตทงสเปคตรม UV-A และ UV-B ทกระทบตอสขภาพมนษย 7.2) ชนด Narrowband sensors ทอนทเกรตเฉพาะสวนทงสเปคตรม UV-A และ/หรอ UV-B 7.3) สเปคโตมเตอรทใชเกรตตงกระจายพลงงานใหเปนสเปคตรม







65

3.9 ความแปรผนของพลงงานดวงอาทตยกบการเปลยนแปลงภมอากาศ มขอเสนอมากมายเกยวกบการเปลยนแปลงภมอากาศ และตงสมมตฐานตาง ๆ หลายขอเพออธบาย การเปลยนแปลงภมอากาศทเกดขนในปจจบน แนวคดเกยวกบพลงงานดวงอาทตยเปนขอสมมตฐานอยางหนงทกลาวอางกนบอยมาก เนองจากดวงอาทตยเปนดาวฤกษทมการเปลยนแปลงได ทงนคนพบวาพลงงานทดวงอาทตยปลดปลอยออกมามกมความผนแปร ซงผลการผนแปรของพลงงานดวงอาทตยนนาจะมอทธพลหรอมผลโดยตรงตอบรรยากาศของโลก กลาวคอ ขณะทดวงอาทตยปลดปลอยพลงงานออกมามากขน ยอมสงผลใหบรรยากาศรอนขนและในทางกลบกน หากพลงงานดวงอาทตยลดลงบรรยากาศของโลกกจะเยนลงตามไปดวย แนวคดนกาลงไดรบความสนใจเพราะวาสามารถนามาอธบายการเปลยนแปลงของภมอากาศได ในชวงทเกดการเปลยนแปลงในระยะเวลายาวนานหรอความรนแรงทเกดขน แตปญหาทสาคญคอในอดตยงไมมขอมลการตรวจวดความผนแปร ความเขมของพลงงานดวงอาทตยทขอบนอกบรรยากาศ เนองจากไมมเครองมอทตรวจวดไดทาใหไมมขอมลเพอใชเปรยบเทยบกบขอมลปจจบนซงบนทกขอมลโดยใชเทคโนโลยดาวเทยม ทาใหทราบการเปลยนแปลงของพลงงานรงสดวงอาทตยเฉพาะในชวงชวงเวลาตงแตมการปลอยดาวเทยมสารวจ อยางไรกตามขอเสนอเกยวกบการเปลยนแปลงของภมอากาศโลกอนเนองมาจากการผนแปรพลงงานดวงอาทตยนน สวนใหญแสดงถงความสมพนธกบวงจรการเกดจดดบบนดวงอาทตย (Sunspot) คอ ลกษณะหมองมวดามดทเกดขนบนพนผวดวงอาทตย วามวงรอบการเกดยาวนานเทาไรและสงผลอยางไรตอบรรยากาศโลก แมวาการเกดจดดบดงกลาวนนยงไมทราบสาเหตทแนชดกตาม แตเมอเกดจดดบขนแลวจะเกดเปนสนามแมเหลกไฟฟาขนาดมหมาทขยายจากผวหนาดวงอาทตยลกเขาไปภายใน และสามารถผลกดนอนภาคพลงงานในดวงอาทตยใหหลดออกมาจนถงขอบนอกบรรยากาศเปนจานวนมาก จากการศกษาจดดบตงแต พ.ศ. 2243 เปนตนมา ไดขอสงเกตวา จานวนจดดบบนดวงอาทตยเพม-ลดอยางสมาเสมอ โดยมรอบวงโคจรประมาณ 11 ป วงจรนคอนขางสมาเสมอ และมนกวทยาศาสตรจานวนหนงยนยนวา วงจรจดดบดวงอาทตย 11 ป นนเปนลกษณะทแนนอนของดวงอาทตย อยางไรกตามปจจบนเชอวามชวงระยะเวลาหนงทดวงอาทตยปลอดจากจดดบหรอจดหมองมว และนอกจากวงจร 11 ปแลว ยงมวงจร 22 ปอกวงหนง วงจรทยาวขนนนาจะเกดจากการหนของสนามแมเหลกไปทางขวแมเหลกโลกขณะเกดจดดบบนดวงอาทตยซงจะตรงกนขามทก ๆ 11 ป อยางตอเนองกน นนคอ สนามแมเหลกทเกดจากดวงอาทตยขณะมจดดบจะกลบมายงขวโลกเกดอกครงหนง ในรอบ 22 ป ซงการเกดจดดบสนนษฐานวามความสมพนธกบการเกดยคนาแขง การศกษาอทธพลทเปนไปไดของพลงงานดวงอาทตยตอภมอากาศ ไดรบความสนใจอยางตอเนองเปนเวลานานหลายป โดยพยายามหาหลกฐานความสมพนธตามชวงเวลาจากวนเปน 10,000 ป แตยงมผทไมเหนดวย โดยใหขอโตแยงไวหลายขอทนาสนใจ คอ 1) ในประเดน การเปลยนแปลงพลงงานดวงอาทตย เปนตวการสาคญททาใหภมอากาศเปลยนแปลงในชวงระยะเวลา ระหวาง 50 –100 ปมาน มขอโตแยงวา ถาการเกดจดดบบนดวงอาทตยมอทธพลจรง เหตใดชวงระยะเวลาทไมมจดดบบนดวงอาทตยหรอมนอยมาก ตรงกบชวงอากาศหนาวเยนในยโรปและ







66

อเมรกาเหนอ และในทางกลบกนชวงเวลาทเกดจดดบบนดวงอาทตยจานวนมากสมพนธกบชวงระยะเวลาทอากาศรอนของบรเวณดงกลาว และจากผลการศกษาโดยใชผลการบนทกขอมลภมอากาศทแตกตางกนตามทองทตาง ๆ รอบโลก กไมพบความสมพนธอยางมนยสาคญระหวางความผนแปรของพลงงานดวงอาทตยกบภมอากาศยงกวานนยงมปญหาจากความจรงทวา ยงไมมวธการทจะตรวจสอบหรอทดลองเพออธบายใหเขาใจถงอทธพลของปรากฎการณนได 2) จากการศกษาวงปของตนไมเปนเวลานาน พบวา พลงงานรงสดวงอาทตยมความสมพนธกบ ปรมาณหยาดนาฟามากกวาอณหภม เชนพบวา วงจรของการเกดภาวะแหงแลง ทางตะวนตกของสหรฐอเมรกา ม ทก ๆ 22 ป ซงชวงระยะเวลานตรงกบวงจรสนามแมเหลกจากดวงอาทตยในรอบ 22 ป วธการนยงมขอโตแยงวา กลไกตามวธการนไมนาเชอไดวา ภาวะแหงแลงทเกดขนจะสมพนธอยางใกลชดกบพลงงานดวงอาทตย นอกจากนวงจรความแหงแลงทพบในวงปของตนไมจะเปลยนไปจากทหนงไปยงอกทหนง ถาสามารถหาความสมพนธทางกายภาพระหวางพลงงานดวงอาทตยกบบรรยากาศชนลางไดแลว จะทาใหสามารถตรวจวดและเขาใจถงความสมพนธดงกลาวไดชดเจนยงขน ซงสภาวจยแหงชาตสหรฐอเมรกากาลงศกษาวจยเรองนอย ทงนจากการศกษาวจยทผานมานนยงไมสามารถสรางแบบจาลองความสมพนธระหวาง ความผนแปรของพลงงานดวงอาทตยกบลมฟาอากาศทแนนอนได เนองจากเมอนาความสมพนธทสรางขนไป ทดสอบทางสถตหรอทดสอบกบกลมขอมลทแตกตางกนแลวใหผลทแตกตางกน ทาใหแบบจาลองใชไมไดผล นนคอ ความสมพนธระหวางความผนแปรของพลงงานดวงอาทตยกบภมอากาศ ยงคงเปนหวขอทโตเถยงและวจารณและศกษากนตอไป






Documents

(Solar Radiation) 3บทที่ 3 พลังงานจากดวงอาท ิตย์ (Solar Radiation) 3.1 ความร้อนในบรรยากาศ ดวงอาทิตยเป์็นดวงดาวที่มีแสงสว่างในต