Bức xạ mặt trời tới bề mặt Trái đất đóng vai trò là nền tảng năng lượng của hành tinh chúng ta, điều khiển các mô hình khí hậu, duy trì sự sống thông qua quá trình quang hợp và cung cấp năng lượng cho các công nghệ năng lượng tái tạo. Sự hiện diện của các đám mây và sol khí tác động đáng kể đến bức xạ mặt trời trên bề mặt Trái đất. Các nhà khoa học mới đây đã giải quyết được cả những thách thức về mặt lý thuyết và kỹ thuật trong việc đo sự tán xạ ánh sáng do các đám mây trong khí quyển và các hạt sol khí gây ra.
Một hệ thống giám sát viễn thám gần thời gian thực đối với bức xạ mặt trời tới bề mặt Trái đất (SSRC) đã được các nhà khoa học từ Viện nghiên cứu Thông tin hàng không vũ trụ (AIR) thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc (CAS) công bố ngày 30/11/2023, đánh dấu cột mốc quan trọng trong nghiên cứu của họ việc thiết lập hệ thống giám sát chính xác nhất năng lượng mặt trời trên bề mặt Trái đất. Hệ thống giám sát bức xạ này và các sản phẩm dữ liệu liên quan hiện đã có thể truy cập được trên trang thông tin http://www.slrss.cn/care/. Những phát hiện này đã được công bố trên Bản tin của Hiệp hội Khí tượng Hoa Kỳ.
Bản vẽ hiệu ứng của hệ thống giám sát SSRC gần thời gian thực (Nguồn: Bản tin của Hiệp hội Khí tượng Hoa Kỳ (2023))
Hệ thống này, với phạm vi giám sát bức xạ mặt trời bao trùm khu vực châu Á – Thái Bình Dương, đã sử dụng dữ liệu quan sát từ các vệ tinh khí tượng địa tĩnh Fengyun-4 của Trung Quốc và Himawari 8/9 của Nhật Bản. Nó thúc đẩy sự kết hợp giữa các mô hình truyền bức xạ dựa trên vật lý và kỹ thuật trí tuệ nhân tạo, bên cạnh việc xem xét các yếu tố tác động khác như sự hấp thụ khí trong khí quyển và phản xạ bề mặt ở các vùng băng và tuyết.
Hệ thống này cung cấp 12 sản phẩm dữ liệu bao gồm các bức xạ sóng ngắn, bức xạ hoạt động quang hợp, bức xạ tia cực tím A, bức xạ tia cực tím B, cũng như các thành phần bức xạ trên toàn Trái đất, trực tiếp và khuếch tán cho từng bức xạ. Các sản phẩm dữ liệu đã đạt được mức cải thiện đáng kể về cả độ phân giải và độ chính xác không gian-thời gian, đặc biệt là trong việc theo dõi những thay đổi nhanh chóng của bức xạ từ mặt trời dưới các đám mây và ở các khu vực được bao phủ bởi băng và tuyết như Cao nguyên Thanh Hải-Tây Tạng.
Trong nghiên cứu này, một thuật toán tối ưu đã được phát triển để tính toán SSRC, bao gồm các thành phần trực tiếp và khuếch tán của chúng. Các tính năng chính của thuật toán gồm việc kết hợp mô hình truyền bức xạ với các kỹ thuật AI, xem xét đầy đủ tác động của các loại sol khí, đám mây và các thành phần khí. Hệ thống giám sát gần thời gian thực được phát triển dựa trên thuật toán này với các sản phẩm SSRC được tạo ra từ dữ liệu dòng Himawari-8/9 và Fengyun-4. Xác thực bằng dữ liệu trên mặt đất cho thấy độ chính xác của các thành phần SWR và PAR (RMSE trung bình hàng ngày lần lượt là 19,7 và 9,2 W m−2) tốt hơn đáng kể so với các sản phẩm tiên tiến nhất từ CERES, ERA5 và GLASS. Các đặc điểm của sol khí, mây, khí và tác động của chúng đối với SSRC được nghiên cứu trước, trong và sau COVID-19; đặc biệt, các biến thể SSRC đáng kể do giảm lượng khí dung và tăng lượng ozone cũng được xác định ở khu vực miền trung và miền đông Trung Quốc trong thời kỳ đó. Độ phân giải không gian-thời gian của các sản phẩm dữ liệu lên tới 0,05° (10 phút) là một trong những lợi thế quan trọng nhất.
Ước tính (a),(d),(g),(j) toàn cầu, (b),(e),(h),(k) trực tiếp và (c),(f),(i),(l ) các thành phần khuếch tán (từ trên xuống dưới) lần lượt là SWR, PAR, UVA và UVB trên toàn bầu khí quyển từ Himawari-8 lúc 03:00 UTC ngày 1/8/2019 (Nguồn: Bản tin của Hiệp hội Khí tượng Hoa Kỳ).
Các sản phẩm dữ liệu thu được có độ phân giải không gian từ 1 đến 5 km và độ phân giải thời gian từ 10 đến 15 phút, từ đó hiện thực hóa khả năng giám sát bức xạ mặt trời tới bề mặt Trái đất có độ phân giải cao, tần số cao, mịn và gần như thời gian thực. Dữ liệu được thiết lập để làm sáng tỏ cường độ và sự phân tán của bức xạ mặt trời tới bề mặt Trái đất. Giáo sư Husi Letu từ AIR cho biết: “Nhờ những tiến bộ trong công nghệ viễn thám vệ tinh, đặc biệt là các vệ tinh địa tĩnh thế hệ tiếp theo được đại diện bởi Fengyun-4 của Trung Quốc, hiện đã có cơ hội giám sát bức xạ mặt trời tới bề mặt Trái đất chính xác và gần như theo thời gian thực”. Các bức xạ mặt trời tới bề mặt Trái đất mới được nhận biết là khá khác biệt so với các dạng bức xạ truyền thống vì chúng phát sinh các vấn đề về độ phân giải không gian, thời gian không, thiếu thông tin về thành phần bức xạ và thách thức trong việc phân biệt giữa các thành phần trực tiếp và khuếch tán.
Từ khóa: mặt trời; bức xạ; giám sát;
– CMD&DND –
