การคำนวณการลดลงของรังสีดวงอาทิตย์เนื่องจากละอองลอยในบรรยากาศ (Determination of Solar Radiation Atten
บทคัดย่อ
ในงานวิจัยนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อคำนวณการลดลงของรังสีดวงอาทิตย์เนื่องมาจากละอองลอยในบรรยากาศของประเทศไทย โดยอาศัยการเปรียบเทียบข้อมูลความเข้มรังสีดวงอาทิตย์ที่ได้จากการวัดและที่คำนวณได้จากแบบจำลองทางทฤษฎีในวันที่ท้องฟ้าปราศจากเมฆ จากนั้นหาความสัมพันธ์ในรูปแบบจำลองทางคณิตศาสตร์สำหรับคำนวณค่าการลดลงของรังสีดวงอาทิตย์เนื่องจากละอองลอย จากข้อมูลทัศนวิสัยและใช้แบบจำลองดังกล่าวคำนวณค่าอัตราส่วนการลดลงของรังสีดวงอาทิตย์เนื่องจากละอองลอยของสถานีอุตุนิยมวิทยา 85 แห่งทั่วประเทศ ผลที่ได้พบว่าค่าอัตราการลดลงของรังสีดวงอาทิตย์เนื่องจากละอองลอยแปรตามเวลาในรอบปีโดยมีค่าสูงในฤดูแล้งและมีค่าลดลงในฤดูฝน โดยมีค่าเฉลี่ยตลอดทั้งปีเท่ากับ 0.1673±0.0022
บทนำ
รังสีดวงอาทิตย์ที่แผ่มาถึงพื้นโลกเป็นแหล่งพลังงานทั้งทางตรงและทางอ้อมของสิ่งมีชีวิตทุกชนิดในโลก อีกทั้งยังมีอิทธิพลต่อสภาวะแวดล้อมของโลกด้วย เมื่อรังสีดวงอาทิตย์ผ่านบรรยากาศมายังพื้นผิวโลกจะมีการดูดกลืน (absorption) และการกระเจิง (scattering) โดยองค์ประกอบต่างๆ ของบรรยากาศ ละอองลอย (aerosols) นับเป็นองค์ประกอบที่สำคัญซึ่งมีผลทางตรงและทางอ้อมต่อความเข้มรังสีดวงอาทิตย์ที่ตกกระทบพื้นผิวโลก กล่าวคือในทางตรง ละอองลอยจะดูดกลืนและกระเจิงรังสีดวงอาทิตย์ทำให้รังสีดวงอาทิตย์ที่มาถึงพื้นผิวโลกลดลง ส่วนผลทางอ้อม ละอองลอยมีผลต่อการก่อตัวและอายุของเมฆซึ่งเป็นตัวการสำคัญในการทำให้ความเข้มรังสีดวงอาทิตย์ที่มาถึงพื้นผิวโลกลดลง
ละอองลอยในที่นี้จะหมายถึงอนุภาคของแข็งหรือของเหลวขนาดเล็กที่แขวนลอยในอากาศ และจะเคลื่อนที่ไปตามการเคลื่อนที่ของอากาศ มีความหนาแน่น ขนาด การกระจาย รูปทรง และองค์ประกอบที่หลากหลาย ละอองลอยอาจมีแหล่งกำเนิดตามธรรมชาติ เช่น เกิดจากไฟป่า พายุทะเลทราย และการระเบิดของภูเขาไฟ เป็นต้น ละอองลอยบางอย่างเกิดจากกิจกรรมของมนุษย์ เช่น ละอองลอยจากโรงงานอุตสาหกรรม และจากยวดยานต่างๆ เป็นต้น โดยทั่วไปปริมาณ คุณสมบัติ และการกระจายของละอองลอยยังขึ้นกับพื้นที่และเวลาในรอบปี ในการสร้างแบบจำลองสำหรับทำนายสภาวะภูมิอากาศ (climate model) จำเป็นต้องทราบคุณสมบัติและการกระจายของละอองลอยซึ่งส่งผลต่อการลดลงของรังสีดวงอาทิตย์ที่ตกกระทบพื้นผิวโลก นอกจากนี้ข้อมูลการลดลงของรังสีดวงอาทิตย์เนื่องจากการดูดกลืนและการกระเจิงของละอองลอยในบรรยากาศยังจำเป็นต้องใช้ในงานด้านการสำรวจข้อมูลระยะไกลโดยใช้ดาวเทียม (satellite remote sensing) เช่น การหาการกระจายของความเข้มรังสีดวงอาทิตย์ที่พื้นผิวโลกจากภาพถ่ายดาวเทียม ทั้งนี้เพราะดาวเทียมจะรับรังสีดวงอาทิตย์ที่สะท้อนจากพื้นผิวโลกและองค์ประกอบต่างๆ ของบรรยากาศ รวมทั้งจากละอองลอยในบรรยากาศด้วย เราจำเป็นต้องรู้ปริมาณของรังสีดวงอาทิตย์ที่ถูกดูดกลืนและถูกกระเจิงโดยละอองลอยในบรรยากาศจึงจะสามารถคำนวณรังสีที่ตกกระทบพื้นผิวโลกได้
ข้อมูลความเข้มรังสีดวงอาทิตย์เป็นข้อมูลพื้นฐานของงานทางด้านพลังงานแสงอาทิตย์ ทั้งนี้เพราะจำเป็นต้องใช้ในการออกแบบและประเมินสมรรถนะของระบบพลังงานแสงอาทิตย์ เช่น ระบบผลิตไฟฟ้าด้วยโซลาเซลล์ ระบบทำน้ำร้อนพลังงานแสงอาทิตย์ และระบบอบแห้งพลังงานแสงอาทิตย์ เป็นต้น นอกจากนี้ข้อมูลดังกล่าวยังมีความสำคัญต่องานด้านการอนุรักษ์พลังงาน เช่น การคำนวณการถ่ายเทความร้อนจากภายนอกเข้าสู่อาคาร และการคำนวณโหลด (load) ของเครื่องปรับอากาศ เป็นต้น ในสังคมเมืองขนาดใหญ่มีการขยายตัวในทุกด้านจึงทำให้มีการใช้พลังงานต่างๆ เป็นจำนวนมาก จำเป็นต้องมีการศึกษาข้อมูลและหาแหล่งพลังงานทดแทนในรูปแบบต่างๆ มาใช้ สำหรับประเทศไทยถึงแม้จะมีการเก็บข้อมูลความเข้มรังสีดวงอาทิตย์มากว่า 40 ปีแล้วก็ตาม แต่จำนวนสถานีวัดยังมีจำกัด รวมทั้งมีค่าใช้จ่ายมากในการวัดและเก็บข้อมูล สถานีตรวจวัดความเข้มรังสีดวงอาทิตย์ส่วนใหญ่จะอยู่ในเขตปริมณฑล ดังนั้นเพื่อเป็นการลดค่าใช้จ่ายและสนองนโยบายของรัฐบาลซึ่งต้องการเพิ่มสัดส่วนของการใช้พลังงานทดแทนในประเทศโดยเร่งงานด้านการพัฒนาและประยุกต์ใช้พลังงานทดแทนโดยเฉพาะพลังงานแสงอาทิตย์ เพื่อให้ได้ข้อมูลที่น่าเชื่อถือทางสถิติสำหรับเป็นข้อมูลประกอบในการหาพลังงานทดแทนในอนาคตต่อไป ดังนั้นจึงจำเป็นต้องอาศัยเทคนิคการคำนวณความเข้มรังสีดวงอาทิตย์จากข้อมูลพื้นฐานเพื่อให้ผลมีความสมบูรณ์และทันสมัย สามารถนำไปใช้ประโยชน์ในงานวิจัยพัฒนาและประยุกต์ใช้พลังงานแสงอาทิตย์ได้อย่างมีประสิทธิภาพต่อไป ในงานวิจัยนี้จึงมีวัตถุประสงค์เพื่อหาค่าการลดลงของรังสีดวงอาทิตย์เนื่องมาจากละอองลอยในบรรยากาศซึ่งจะเป็นประโยชน์ต่อการศึกษาและวิเคราะห์ระบบงานทางด้านพลังงานแสงอาทิตย์ต่อไป
วัสดุอุปกรณ์และวิธีการวิจัย
การหาค่าความเข้มรังสีดวงอาทิตย์โดยใช้แบบจำลองเมื่อไม่มีละอองลอย
โดยทั่วไปเราสามารถคำนวณค่าความเข้มรังสีดวงอาทิตย์ที่พื้นผิวโลกในวันที่ท้องฟ้าปราศจากเมฆได้โดยอาศัยแบบจำลองต่างๆ ซึ่งมีความละเอียดถูกต้องและความยากง่ายแตกต่างกัน อาจมีทั้งแบบจำลองทางสถิติซึ่งเป็นสมการเอมไพริเคิล (empirical model) หรือแบบจำลองทางฟิสิกส์ (physical model) โดยทั่วไปแบบจำลองทางสถิติจะไม่สลับซับซ้อน แต่ไม่สามารถใช้ได้ทั่วไป สำหรับความละเอียดถูกต้องจะขึ้นอยู่กับความถูกต้องของสัมประสิทธิ์ต่างๆ ที่ใช้ในแบบจำลอง จากการพิจารณาสภาพอากาศในประเทศไทยในภูมิภาคต่างๆ ซึ่งมีความแตกต่างกัน ผู้วิจัยเลือกใช้แบบจำลองทางฟิสิกส์ของ M. Nunez (1993) ทั้งนี้เพราะเป็นแบบจำลองที่สามารถประยุกต์ใช้ได้ทั่วไปและไม่ยุ่งยากในการคำนวณมากนัก อีกทั้งยังมีความละเอียดถูกต้องค่อนข้างสูง
ค่าสัมประสิทธิ์ต่างๆ หาได้จากการวิเคราะห์ข้อมูลอุตุนิยมวิทยาดังนี้
สัมประสิทธิ์การดูดกลืนรังสีดวงอาทิตย์ของไอน้ำ ปริมาณไอน้ำในบรรยากาศจะแสดงในรูปของปริมาณไอน้ำกลั่นตัวได้ (precipitable water vapor) โดยสมมุติว่าไอน้ำที่แทรกตัวอยู่ในคอลัมน์ของบรรยากาศนั้นกลั่นตัวกลายเป็นน้ำ โดยปริมาณไอน้ำมีความสัมพันธ์กับข้อมูลความชื้นสัมพัทธ์และอุณหภูมิของอากาศ จากข้อมูลตรวจอากาศชั้นบนซึ่งในประเทศไทยมีสถานีอุตุนิยมวิทยาที่ทำการตรวจวัด 4 สถานีคือ สถานีเชียงใหม่ สถานีอุบลราชธานี สถานีสงขลา และกรมอุตุนิยมวิทยากรุงเทพมหานคร จากนั้นนำปริมาณไอน้ำที่ได้มาวิเคราะห์หาความสัมพันธ์กับข้อมูลผิวพื้นที่สถานีเดียวกันได้ความสัมพันธ์เพื่อนำไปคำนวณหาปริมาณไอน้ำทั่วประเทศ โดยใช้ข้อมูลความชื้นสัมพัทธ์และอุณหภูมิของอากาศซึ่งเป็นข้อมูลผิวพื้นระหว่างปี 2535-2554 ในการคำนวณสัมประสิทธิ์การดูดกลืนรังสีดวงอาทิตย์ของไอน้ำ
มวลอากาศ (air mass) หมายถึงทางเดินของรังสีอาทิตย์ผ่านชั้นบรรยากาศ ซึ่งในการศึกษาผลของชั้นบรรยากาศที่มีต่อการแผ่รังสีดวงอาทิตย์นั้นจะต้องพิจารณาถึงความหนาของบรรยากาศที่ขวางกั้นทางเดินของรังสี
สัมประสิทธิ์การดูดกลืนรังสีดวงอาทิตย์ของโอโซน ข้อมูลปริมาณโอโซนซึ่งมีการตรวจวัดที่กรมอุตุนิยมวิทยาโดยใช้เครื่องด็อบสันสเปคโตรโฟโตมิเตอร์ (Dobson spectrophotometer) ใช้ข้อมูลระหว่างปี 2535-2554 ในการวิเคราะห์หาค่าสัมประสิทธิ์การดูดกลืนรังสีดวงอาทิตย์ของโอโซน โดยปริมาณโอโซนที่กรมอุตุนิยมวิทยากรุงเทพฯ ซึ่งอยู่ที่ละติจูด 13.73°N มีค่าใกล้เคียงกับปริมาณโอโซนซึ่งเป็นข้อมูลทางภูมิอากาศ (climatological data) ของ N. Robinson (1966) ที่ละติจูด 10°N และ 20°N ซึ่งพบว่ามีการเปลี่ยนแปลงตามเวลาในรอบปีสอดคล้องกัน นอกจากนี้ปริมาณโอโซนมีการเปลี่ยนแปลงตามเวลาและละติจูดค่อนข้างน้อย ดังนั้นจึงใช้ข้อมูลโอโซนที่กรุงเทพมหานครในการคำนวณการดูดกลืนรังสีดวงอาทิตย์ของโอโซนทั่วประเทศ ก๊าซโอโซนเป็นองค์ประกอบของบรรยากาศซึ่งมีบทบาทสำคัญในการดูดกลืนรังสีดวงอาทิตย์ในช่วงความยาวคลื่นรังสีอัลตราไวโอเลตและบางส่วนในช่วงแสงสว่าง สำหรับในงานวิจัยนี้คำนวณสัมประสิทธิ์การดูดกลืนรังสีดวงอาทิตย์ของโอโซนโดยใช้แบบจำลองของ A.A. Lacis และ J.E. Hansen (1974)
สัมประสิทธิ์การสะท้อนรังสีดวงอาทิตย์ของพื้นผิวโลก คืออัตราส่วนของรังสีดวงอาทิตย์ที่กระทบต่อรังสีสะท้อนจากพื้นผิวโลก ขึ้นกับลักษณะของพื้นผิวโลก เช่น บริเวณที่เป็นทะเลและมหาสมุทรจะมีค่าสัมประสิทธิ์การสะท้อนต่ำกว่าทุ่งหญ้าและป่าไม้ เป็นต้น สำหรับในงานวิจัยนี้จะใช้ค่าสัมประสิทธิ์การสะท้อนรังสีดวงอาทิตย์ของพื้นผิวโลกเท่ากับ 0.15 โดยตั้งสมมติฐานว่าพื้นดินในบริเวณประเทศไทยเป็นแบบพื้นที่ที่ปกคลุมด้วยพืช (vegetation)
อัตราส่วนการลดลงของรังสีดวงอาทิตย์เนื่องจากละอองลอย
ในการหาการลดลงของรังสีดวงอาทิตย์เนื่องจากละอองลอยเราจำเป็นต้องใช้ข้อมูลความเข้มรังสีดวงอาทิตย์ในวันที่ท้องฟ้าปราศจากเมฆ โดยใช้ข้อมูลเมฆรายวันร่วมกับข้อมูลความเข้มรังสีดวงอาทิตย์ ซึ่งทำการตรวจวัดโดยกรมพัฒนาพลังงานทดแทนและอนุรักษ์พลังงาน จำนวน 38 สถานี ระหว่างปี 2552-2554 ในการคัดเลือกวันที่ท้องฟ้าปราศจากเมฆพิจารณาจากข้อมูลปริมาณเมฆในวันเดียวกัน โดยเมฆในวันดังกล่าวจะต้องมีปริมาณน้อยกว่า 1 ส่วนจากท้องฟ้าทั้งหมด 10 ส่วน ข้อมูลความเข้มรังสีดวงอาทิตย์ที่คัดเลือกได้นี้จะนำไปใช้ในการหาการลดลงของรังสีดวงอาทิตย์เนื่องจากละอองลอย โดยความแตกต่างระหว่างค่าความเข้มรังสีดวงอาทิตย์ที่คำนวณได้จากแบบจำลองกับที่วัดได้จะเป็นผลมาจากละอองลอยในบรรยากาศ ซึ่งสามารถเขียนในรูปของอัตราส่วนการลดลงของรังสีดวงอาทิตย์เนื่องจากละอองลอย (aerosol attenuation) จากการหาค่าอัตราส่วนการลดลงของรังสีดวงอาทิตย์ทำได้เฉพาะจุดที่มีการวัดความเข้มรังสีดวงอาทิตย์ซึ่งในประเทศไทยมีจำนวนจำกัด ดังนั้นจึงนำค่า aerosol attenuation ที่ได้จากสถานีเดียวกันมาหาความสัมพันธ์กับข้อมูลทัศนวิสัย (visibility) ซึ่งจะได้ความสัมพันธ์ในรูปสมการเอมไพริเคิล (empirical equation) สำหรับคำนวณ aerosol attenuation ของสถานีที่ไม่มีการตรวจวัดความเข้มรังสีดวงอาทิตย์
ผลการวิจัยและวิจารณ์ผล
เมื่อคำนวณความเข้มรังสีดวงอาทิตย์ในวันที่ท้องฟ้าปราศจากเมฆ แล้วหาความแตกต่างระหว่างค่าความเข้มรังสีดวงอาทิตย์ที่วัดได้กับที่คำนวณได้โดยใช้ข้อมูลในวันและเวลาเดียวกันคำนวณอัตราส่วนการลดลงของรังสีดวงอาทิตย์เนื่องจากละอองลอยในวันที่ท้องฟ้าปราศจากเมฆ เนื่องจากการหาค่า aerosol attenuation โดยวิธีดังกล่าวข้างต้นทำได้เฉพาะจุดที่มีการวัดความเข้มรังสีดวงอาทิตย์ซึ่งในประเทศไทยมีจำนวนจำกัด ในการหาค่า aerosol attenuation ที่ตำแหน่งอื่นในประเทศไทย ผู้วิจัยจะใช้ข้อมูลทัศนวิสัยโดยการนำค่า aerosol attenuation และทัศนวิสัยที่ได้จากสถานีเดียวกันมาหาความสัมพันธ์ผลที่ได้ การลดลงของรังสีดวงอาทิตย์เนื่องจากละอองลอยมีค่าลดลงเมื่อทัศนวิสัยมากขึ้นซึ่งมีความสัมพันธ์ที่เชื่อถือได้ค่อนข้างสูง โดยมีค่าสัมประสิทธิ์สหสัมพันธ์ (R2) เท่ากับ 0.92
โดยทั่วไปค่าการลดลงของรังสีดวงอาทิตย์เนื่องจากละอองลอยจะขึ้นกับปริมาณ ขนาด และชนิดของละอองลอยในบรรยากาศ ซึ่งมักมีอิทธิพลมาจากสภาพทางอุตุนิยมของบรรยากาศในแต่ละภูมิภาค โดยแบ่งข้อมูลออกเป็น 6 ภูมิภาคตามหลักการแบ่งภูมิภาคทางภูมิศาสตร์ของคณะกรรมการภูมิศาสตร์แห่งชาติภายใต้การกำกับดูแลของสำนักงานคณะกรรมการวิจัยแห่งชาติ ซึ่งอาศัยเกณฑ์ในด้านลักษณะภูมิประเทศเป็นสำคัญ และได้นำลักษณะทางด้านภูมิอากาศมาเป็นส่วนประกอบด้วย โดยมีสถานีอุตุนิยมวิทยาที่ตรวจวัดข้อมูลทัศนวิสัยทั่วประเทศ 85 สถานี แบ่งเป็นภาคเหนือ 12 สถานี ภาคกลาง 14 สถานี ภาคตะวันออกเฉียงเหนือ 17 สถานี ภาคตะวันออก 11 สถานี ภาคตะวันตก 10 สถานี และภาคใต้ 21 สถานี จะได้ค่าอัตราส่วนการลดลงของรังสีดวงอาทิตย์เนื่องจากละอองลอยซึ่งเป็นค่าเฉลี่ยในแต่ละภูมิภาค โดยในภาคเหนือจะมีค่ามากที่สุดเท่ากับ 0.1787±0.0046 ส่วนภาคใต้จะมีค่าน้อยที่สุดเท่ากับ 0.1614±0.0020 พบว่าในภาคเหนือจะมีค่าสูงกว่าทุกภาคในช่วงเดือนมกราคมถึงเมษายน โดยมีค่ามากในเดือนมีนาคม และพบว่าในช่วงเดือนมีนาคมมีการเผาไหม้เศษวัสดุทางการเกษตรเพื่อเตรียมพื้นที่เพาะปลูก รวมทั้งหมอกและไฟป่าซึ่งเป็นแหล่งกำเนิดที่สำคัญของละอองลอย ส่วนภาคใต้มีค่าต่ำกว่าทุกภาคในช่วงเดือนมกราคมถึงมีนาคมและมีค่าค่อนข้างคงที่ตลอดทั้งปี ละอองลอยส่วนใหญ่มีแหล่งกำเนิดมาจากทะเล ในภาพรวมของประเทศมีการเปลี่ยนแปลงตามเวลาในรอบปี โดยในช่วงเดือนมกราคมถึงมีนาคมจะมีค่ามาก จากนั้นจะค่อยๆ ลดลงจนมีค่าต่ำสุดในเดือนมิถุนายนและมีแนวโน้มเพิ่มขึ้น นั่นคืออัตราส่วนการลดลงของรังสีดวงอาทิตย์เนื่องจากละอองลอยมีค่ามากในช่วงฤดูแล้ง (ธันวาคม-เมษายน) ซึ่งมีค่าเฉลี่ยมากที่สุดในเดือนกุมภาพันธ์เท่ากับ 0.2183±0.0042 และมีค่าน้อยในช่วงฤดูฝน (พฤษภาคม-ตุลาคม) ค่าเฉลี่ยน้อยที่สุดในเดือนมิถุนายนเท่ากับ 0.1314±0.0007 โดยมีค่าเฉลี่ยตลอดปีเท่ากับ 0.1673±0.0022 ความคลาดเคลื่อนมาตรฐานของค่าเฉลี่ย (standard error of the mean) เท่ากับ 0.00114 สอดคล้องกับ F. Esposito (2004) และ M.P. Utrillas (2000) ที่พบว่าการลดลงของรังสีดวงอาทิตย์เนื่องจากละอองลอยจะมีค่าน้อยในช่วงฤดูฝนและจะมีค่ามากในช่วงฤดูแล้งโดยมีค่าเฉลี่ยในช่วง 0.02-0.6 ซึ่งจะมีการเปลี่ยนแปลงตามฤดูกาลและภูมิประเทศ
สรุปผลการวิจัย
การหาค่าการลดลงของรังสีดวงอาทิตย์เนื่องจากละอองลอยในงานวิจัยนี้ใช้ข้อมูลความเข้มรังสีดวงอาทิตย์ร่วมกับข้อมูลภาคพื้นดินในวันที่ท้องฟ้าปราศจากเมฆโดยใช้แบบจำลองหาค่าความเข้มรังสีดวงอาทิตย์ที่ระดับพื้นดิน แล้วเปรียบเทียบกับความเข้มรังสีดวงอาทิตย์ที่ได้จากการวัด จากการศึกษาพบว่าการลดลงของความเข้มรังสีดวงอาทิตย์มีความสัมพันธ์กับข้อมูลทัศนวิสัย นั่นคือเมื่อทัศนวิสัยมีค่ามาก อัตราส่วนการลดลงจะมีค่าน้อย เมื่อศึกษาการแปรค่าตามเวลาในรอบปี พบว่าอัตราส่วนการลดลงของรังสีดวงอาทิตย์เนื่องจากละอองลอยจะมีค่ามากในช่วงเดือนธันวาคมถึงเมษายน และจะมีค่าน้อยในช่วงเดือนพฤษภาคมถึงพฤศจิกายน ซึ่งมีค่าเฉลี่ยสูงสุดในเดือนกุมภาพันธ์และเฉลี่ยต่ำสุดเดือนมิถุนายน โดยมีค่าเฉลี่ยตลอดทั้งปีเท้ากับ 0.1673±0.0022
บทความวิจัยโดยสายันต์ โพธิ์เกตุ และอภิวัฒน์ บุญเขื่อง สาขาวิชาฟิสิกส์ประยุกต์ คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีราชมงคลอีสาน วิทยาเขตขอนแก่น ตีพิมพ์ในวารสารวิทยาศาสตร์บูรพา ปีที่ 19 ฉบับพิเศษ 2557 การประชุมวิชาการระดับชาติ วิทยาศาสตร์วิจัยครั้งที่ 6 หน้า 244-255 อ่านบทความฉบับเต็ม Click
Beautiful Quietness: เงียบแต่ไม่เหงา! ดินแดนแห่งการอ่านและพื้นที่ทางความคิด โลกของนักอ่านและพรมแดนแห่งความรู้ การอ่านสะท้อนความคิด ความคิดสะท้อนตัวตน ตัวตนสะท้อนจิตวิญญาณ pruetsara.wixsite.com