การคำนวณการดูดกลืนรังสีดวงอาทิตย์จากปริมาณไอน้ำกลั่นตัวได้ในบรรยากาศของประเทศไทย (Calculation of Sol
บทคัดย่อ
ในงานวิจัยนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อคํานวณหาปริมาณไอน้ำกลั่นตัวได้ในบรรยากาศของประเทศไทยและวิเคราะห์หาการดูดกลืนรังสีดวงอาทิตย์จากปริมาณไอน้ำกลั่นตัวได้ในบรรยากาศ ผู้วิจัยได้ทําการวิเคราะห์หาปริมาณไอน้ำกลั่นตัวได้ในบรรยากาศของประเทศไทย จากข้อมูลความชื้นสัมพัทธ์และอุณหภูมิอากาศที่ได้จากการตรวจอากาศชั้นบนซึ่งมีการตรวจวัดที่สถานีอุตุนิยมวิทยาจังหวัดเชียงใหม่ สถานีอุตุนิยมวิทยาจังหวัดอุบลราชธานี สถานีอุตุนิยมวิทยาจังหวัดสงขลา และกรมอุตุนิยมวิทยากรุงเทพมหานคร ซึ่งทําการตรวจวัดต่อเนื่องกันในช่วงปี 2535-2550 เมื่อนําปริมาณไอน้ำกลั่นตัวได้จากข้อมูลตรวจอากาศชั้นบนของ 4 สถานีดังกล่าว มาหาความสัมพันธ์กับความชื้นสัมพัทธ์และอุณหภูมิของอากาศซึ่งเป็นข้อมูลภาคพื้นดินที่สถานีเดียวกันในรูปแบบจําลองทางคณิตศาสตร์ ผลที่ได้พบว่ามีความสัมพันธ์ที่เชื่อถือได้ค่อนข้างสูง ปริมาณไอน้ำกลั่นตัวได้จากข้อมูลการตรวจอากาศชั้นบนมีค่าใกล้เคียงกับปริมาณไอน้ำกลั่นตัวได้จากแบบจําลองโดยมีความแตกต่างในรูปของ Root Mean Square Error (RMSE) เท่ากับ 0.354 เซนติเมตร จากนั้นผู้วิจัยนําแบบจําลองที่ได้ไปคํานวณปริมาณไอน้ำกลั่นตัวได้ที่สถานีอุตุนิยมวิทยา 85 สถานีทั่วประเทศ ผลที่ได้พบว่าปริมาณไอน้ำกลั่นตัวได้มีค่าน้อยในช่วงฤดูแล้ง (พฤศจิกายน-มีนาคม) และมีค่ามากในช่วงฤดูฝน (เมษายน-ตุลาคม) โดยมีค่าเฉลี่ยต่อปีเท่ากับ 4.571±0.107 เซนติเมตร เมื่อวิเคราะห์หาการดูดกลืนรังสีดวงอาทิตย์โดยปริมาณไอน้ำกลั่นตัวได้ในบรรยากาศจากแบบจําลองผลที่ได้พบว่าการดูดกลืนจะมากหรือน้อยขึ้นอยู่กับปริมาณไอน้ำกลั่นตัวได้ในบรรยากาศซึ่งมีค่าเฉลี่ยต่อปีคิดเป็นร้อยละ 15.49
บทนํา
ในการศึกษาพลังงานแสงอาทิตย์เพื่อใช้ประโยชน์สําหรับการวางแผนการใช้เทคโนโลยีพลังงานแสงอาทิตย์ในรูปแบบต่างๆ จําเป็นต้องทราบค่าปริมาณรังสีดวงอาทิตย์ต่อหน่วยพื้นที่ ณ บริเวณที่ตั้งของระบบพลังงานแสงอาทิตย์นั้นๆ โดยปกติรังสีดวงอาทิตย์ที่ผ่านบรรยากาศเข้ามายังพื้นโลกจะมีค่าลดลงเมื่อเทียบกับรังสีที่อยู่นอกบรรยากาศ ทั้งนี้เนื่องจากบรรยากาศของโลกมีการดูดกลืนและการกระเจิงรังสีดวงอาทิตย์ ไอน้ำเป็นตัวแปรหนึ่งที่มีความสําคัญต่อการลดลงของรังสีดวงอาทิตย์ โดยทั่วไปไอน้ำเป็นองค์ประกอบของบรรยากาศที่แสดงให้ทราบถึงการเปลี่ยนแปลงของลมฟ้าอากาศ การก่อตัวของเมฆ และก่อให้เกิดฝน หมอก หิมะ ลูกเห็บ ฯ นอกจากนี้ปริมาณไอน้ำในบรรยากาศมีอิทธิพลที่สําคัญต่อการลดลงของรังสีดวงอาทิตย์ที่ผ่านบรรยากาศมายังพื้นผิวโลก กล่าวคือไอน้ำในบรรยากาศจะดูดกลืนรังสีดวงอาทิตย์ในช่วงความยาวคลื่นกว้าง (0.25-4.0 μm) ซึ่งการดูดกลืนจะมากหรือน้อยขึ้นอยู่กับปริมาณไอน้ำในบรรยากาศ ไอน้ำเป็นส่วนหนึ่งของวัฏจักรน้ำจึงเป็นตัวพาและกระจายความร้อนแก่บรรยากาศและผิวพื้น มีคุณสมบัติในการกักเก็บความร้อนทําให้อุณหภูมิของโลกอบอุ่น โดยปกติเราจะแสดงปริมาณไอน้ำในบรรยากาศในรูปของปริมาณไอน้ำกลั่นตัวได้ (precipitable water vapor) ซึ่งจะบอกได้ในรูปของความสูงของน้ำในคอลัมน์ของบรรยากาศ โดยสมมุติว่าไอน้ำที่แทรกตัวอยู่ในคอลัมน์ของบรรยากาศนั้นกลั่นตัวกลายเป็นน้ำ
ปริมาณไอน้ำในอากาศโดยทั่วไปมักหาได้ยากและในประเทศไทยยังไม่มีการตรวจวัดปริมาณไอน้ำในอากาศ จากการศึกษาพบว่าปริมาณไอน้ำมีความสัมพันธ์กับความชื้นสัมพัทธ์และอุณหภูมิของอากาศที่ได้จากข้อมูลการตรวจอากาศชั้นบน (upper air data) และมีการแปรค่าตามละติจูดและฤดูกาล สําหรับประเทศไทยมีหน่วยงานที่ตรวจอากาศชั้นบนคือกรมอุตุนิยมวิทยา ซึ่งทําการตรวจอากาศโดยปล่อยบอลลูนตรวจอากาศ (weather balloon) ทุกวัน เนื่องจากอุปกรณ์ที่ใช้ในภารกิจนี้มีราคาค่อนข้างแพง ในการตรวจวัดแต่ละครั้งต้องเสียค่าใช้จ่ายเป็นจํานวนมาก ดังนั้นการตรวจอากาศชั้นบนจึงมีการตรวจเฉพาะสถานีอุตุนิยมวิทยาเพียง 4 แห่งเท่านั้น ได้แก่ สถานีอุตุนิยมวิทยาจังหวัดเชียงใหม่ สถานีอุตุนิยมวิทยาจังหวัดอุบลราชธานี สถานีอุตุนิยมวิทยาจังหวัดสงขลา และกรมอุตุนิยมวิทยากรุงเทพมหานคร งานวิจัยนี้ใช้ข้อมูลที่มีการตรวจวัดติดต่อกันในช่วงปี 2535-2550 ผลการวิจัยที่ได้จะสามารถลดค่าใช้จ่ายในการหาค่าปริมาณไอน้ำสําหรับสถานีที่ไม่มีการตรวจอากาศชั้นบน และใช้เป็นข้อมูลพื้นฐานในการศึกษาเกี่ยวกับความเข้มรังสีดวงอาทิตย์ที่เข้ามายังพื้นโลกจากค่าปริมาณไอน้ำ รวมทั้งคุณสมบัติในการดูดกลืนรังสีดวงอาทิตย์ของไอน้ำเพื่อใช้ในการออกแบบเครื่องมือทางด้านพลังงานแสงอาทิตย์และงานต่างๆ ที่เกี่ยวข้อง เช่น การหาการกระจายของความเข้มรังสีดวงอาทิตย์ที่พื้นผิวโลก (solar radiation mapping) จากภาพถ่ายดาวเทียม งานออกแบบอุปกรณ์ทางด้านพลังงานแสงอาทิตย์ การอนุรักษ์พลังงานในอาคาร หรือใช้ในงานอุตุนิยมวิทยา เช่น การสร้างแบบจําลองเพื่อทํานายสภาพภูมิอากาศ เป็นต้น
สรุปผลการวิจัย
จากความสําคัญของปริมาณไอน้ำในอากาศที่มีผลต่อการเปลี่ยนแปลงของลมฟ้าอากาศและมีอิทธิพลต่อความเข้มรังสีดวงอาทิตย์ ในงานวิจัยนี้ได้คํานวณค่าปริมาณไอน้ำกลั่นตัวได้จากข้อมูลความชื้นสัมพัทธ์และอุณหภูมิจากข้อมูลตรวจอากาศชั้นบนที่มีการตรวจวัด 4 สถานี จากนั้นนําค่าที่ได้ไปวิเคราะห์หาความสัมพันธ์กับข้อมูลอุณหภูมิและความชื้นสัมพัทธ์จากการตรวจวัดภาคพื้นดินซึ่งวัดได้ที่สถานีเดียวกัน ผลการวิเคราะห์ปริมาณไอน้ำกลั่นตัวได้มีความสัมพันธ์อย่างเป็นระบบกับข้อมูลภาคพื้นดินซึ่งสามารถเขียนได้ในรูปแบบจําลองทางคณิตศาสตร์ ผู้วิจัยได้นําแบบจําลองดังกล่าวไปใช้คํานวณค่าปริมาณไอน้ำกลั่นตัวได้ของสถานีอุตุนิยมวิทยาอื่นๆ อีก 85 แห่งทั่วประเทศที่มีข้อมูลอุณหภูมิและความชื้นสัมพัทธ์จากการตรวจวัดภาคพื้นดิน ผลการคํานวณพบว่าค่าปริมาณไอน้ำกลั่นตัวได้จะเปลี่ยนแปลงตามเวลาในรอบปี ซึ่งจะมีค่าสูงในช่วงเดือนเมษายนถึงตุลาคมซึ่งเป็นฤดูฝนและจะมีค่าน้อยในช่วงช่วงเดือนพฤศจิกายนถึงมีนาคมซึ่งเป็นฤดูแล้ง โดยมีค่าเฉลี่ยสูงสุด 5.329 เซนติเมตรในเดือนพฤษภาคม และเฉลี่ยต่ำสุดเท่ากับ 3.435 เซนติเมตรในเดือนธันวาคม ค่าเฉลี่ยตลอดทั้งปีเท่ากับ 4.5705±0.1072 เซนติเมตร
เมื่อคำนวณปริมาณไอน้ำกลั่นตัวได้จากแบบจําลองทางคณิตศาสตร์โดยใช้ข้อมูลผิวพื้นของ 85 แห่ง นํามาวิเคราะห์การดูดกลืนรังสีดวงอาทิตย์ของปริมาณไอน้ำกลั่นตัวได้ พบว่าค่าทั้งสองมีความสัมพันธ์เชิงเส้น ได้ค่า R2 สูงกว่า 0.90 ซึ่งเป็นความสัมพันธ์ที่เชื่อถือได้ค่อนข้างสูง และการดูดกลืนรังสีดวงอาทิตย์ของปริมาณไอน้ำโดยเฉลี่ยตลอดทั้งปีมีค่าร้อยละ 15.49 ซึ่งสอดคล้องกับงานวิจัยของ M. Nunez (1993) ที่พบว่าไอน้ำในบรรยากาศจะดูดกลืนรังสีดวงอาทิตย์ในช่วงความยาวคลื่นกว้าง (0.25-4.0 μm) ได้ถึง 15% และการดูดกลืนจะมากหรือน้อยขึ้นอยู่กับปริมาณไอน้ำกลั่นตัวได้ในบรรยากาศ
เนื่องจากการศึกษาเกี่ยวกับปริมาณไอน้ำกลั่นตัวได้จากข้อมูลตรวจอากาศชั้นบนซึ่งมีอยู่จํากัดและจากการคํานวณทางทฤษฎีซึ่งเป็นวิธีการศึกษาทางอ้อม ดังนั้นการศึกษาปริมาณไอน้ำกลั่นตัวได้อนาคตควรที่จะทําการศึกษาโดยการใช้เครื่องมือวัดที่ทันสมัยและมีกระจายตามสถานีอุตุนิยมทั่วประเทศ เพื่อนําข้อมูลมาศึกษาการเปลี่ยนแปลงของลมฟ้าอากาศ ตลอดจนอิทธิพลของปริมาณไอน้ำที่มีต่อการลดลงของความเข้มรังสีดวงอาทิตย์ ซึ่งจะทําให้ผลที่ได้มีความละเอียดถูกต้องยิ่งขึ้น อันจะเป็นประโยชน์ต่องานด้านการทํานายสภาพอากาศและการศึกษาข้อมูลระยะไกลโดยใช้ดาวเทียมและงานที่เกี่ยวข้องต่อไป
บทความวิจัยโดยสายันต์ โพธิ์เกตุ สาขาวิชาฟิสิกส์ประยุกต์ คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีราชมงคลอีสาน ตีพิมพ์ในวารสารวิทยาศาสตร์บูรพา ปีที่ 16 ฉบับที่ 1 มกราคม-มิถุนายน 2554 หน้า 77-83 อ่านบทความฉบับเต็ม Click
Beautiful Quietness: เงียบแต่ไม่เหงา! ดินแดนแห่งการอ่านและพื้นที่ทางความคิด โลกของนักอ่านและพรมแดนแห่งความรู้ การอ่านสะท้อนความคิด ความคิดสะท้อนตัวตน ตัวตนสะท้อนจิตวิญญาณ pruetsara.wixsite.com