Chương 2 NGHIÊN CỨU MỘT SỐ GIẢI PHÁP KHOA HỌC CÔNG NGHỆ THU, BIẾN ĐỔI, TRUYỀN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI Ở DẠNG
3.1. Môi trường không gian truyền năng lượng từ vũ trụ về mặt đất
Không gian ở đây có hai miền, chúng có đặc tính rất khác biệt nhau: đó là không gian ngoài miền khí quyển bao quanh Trái đất và miền không gian trong bầu khí quyển của Trái đất. Tùy theo vệ tinh SPS ở trên quỹ đạo nào mà sự tác động của môi trường không gian đến vệ tinh và ảnh hưởng tới bài toán truyền năng lượng không dây về mặt đất sẽ rất khác nhau.
Hình 31: Không gian truyền năng lượng của vệ tinh SPS cùng một số hiệu ứng và ảnh hưởng tới quá trình truyền năng lượng không dây [25]
3.1.1. Một số đặc điểm Không gian vũ trụ
Không gian ngoài miền khí quyển bao quanh Trái đất hay còn gọi là Không gian vũ trụ là khoảng không gian từ độ cao 1.280 km trở lên. Không gian vũ trụ có các đặc điểm sau:
- Không gian vũ trụ có áp suất rất thấp nên coi là môi trường chân không:
Từ độ cao tính từ bề mặt Trái đất khoảng 100km trở lên áp suất khí quyển giảm xuống rất thấp, có thể coi là chân không, trong điều kiện này việc truyền sóng vi ba rất thuận lợi.
- Môi trường ngoài vũ trụ coi là môi trường plasma: Các nhà khoa học đã ước lượng khoảng 99% vật chất trong vũ trụ tồn tại dưới dạng plasma. Môi trường plasma gồm các nguyên tử hay phân tử đã được ion hóa một phần hay toàn phần nhưng là trung tính. Tuy nhiên, mật độ plasma của gió mặt trời gần Trái đất rất loãng, chỉ có khoảng 6 hạt trong 1m3.
Trong môi trường này có gió mặt trời, đó là dòng hạt vật chất có năng lượng cao, mật độ cao. Gió Mặt Trời mang các hạt electron và proton ở năng lượng cao, khoảng 500 KeV, vì thế chúng có khả năng thoát ra khỏi lực hấp dẫn của các ngôi sao nhờ năng lượng nhiệt cao này. Nhiều hiện tượng có thể được giải thích bằng gió Mặt Trời, trong đó bao gồm: bão từ, khi dòng hạt mang điện này tác dụng lên các đường cảm ứng từ của Trái Đất; hiện tượng cực quang, được sinh ra khi các hạt trong gió Mặt Trời tương tác với từ trường của các hành tinh và tạo nên các màu sắc đặc trưng ở ban đêm trên bầu trời; lời giải thích tại sao đuôi của các sao chổi luôn luôn hướng ra ngoài Mặt Trời; cùng với sự hình thành của các ngôi sao ở khoảng cách xa.
Môi trường vũ trụ chứa nhiều rác vũ trụ và các thiên thạch: các mảnh sao băng thường suất hiện trong không gian vũ trụ, có mưa sao bằng vào những thời gian nhất định. Người ta đã thống kê có tới vài nghìn lần thiên thạch rơi xuống Trái đất. Ngoài ra còn có rác Vũ trụ, đó là các mảnh vỡ của tên lửa và vệ tinh do con người phóng lên sau một thời gian hoạt động nó bị vỡ ra hoặc bị bốc cháy tạo nên các mảnh vỡ với kích cỡ vài cm bay lơ lửng trong không gian vũ trụ. Hiện có khoảng trên dưới 3000 tấn chất thải vũ trụ đang tồn tại trong môi truờng vũ trụ không có trọng lượng chúng đang chuyển động với tốc độ 24 000 km/giờ, khi va chạm với các vệ tinh đang hoạt động có thể gây ra tổn hại lớn.
3.1.2. Một số đặc điểm bầu khí quyển bao quanh Trái Đất
Bầu khí quyển bao quanh Trái đất có thể chia ra làm 6 tầng khác nhau, từ mặt đất cho tới độ cao 1.280 km. Không gian bầu khí quyển Trái đất bao gồm 6 tầng và có các đặc điểm sau:
- Tầng đối lưu (tropospherre) là tầng thấp nhất bắt đầu từ bề mặt Trái đất lên đến khoảng 7 km tại hai cực Trái đất và lên đến khoảng 17 km tại miền xích Đạo. Không khí ở đây bao gồm khoảng 78% N2 và 21% O2, còn lại là một số khí khác như Ar khoảng 1%...
- Tầng bình lưu (Stratosphere) nằm trên tầng đối lưu có độ cao từ 7 hoặc từ 17 km đến khoảng 50 km . Trong tầng này không khí loãng, không có mây, có đặc tính ổn định, tức có ít có các biến động thời tiết. Các máy bay thường bay trong tầng này, ở độ cao cỡ khoảng trên 9 km.
- Tầng trung lưu ( mesosphere) có độ cao từ 50 Km đến khoảng 85 km.
Nhiệt độ ở đây rất lạnh có khi đạt đến -90oC .
- Lớp nhiệt khí quyển (thermosphere) có nhiều sự biến động còn chưa được biết một cách tường minh. Tại đây các khí Ôzôn do tia tử ngoại Mặt trời tạo ra nhanh chóng bị tái hợp thành oxy nguyên tử. Hiện tượng cực quang cũng xẩy ra trong lớp này. Khi Mặt Trời hoạt động mạnh, nhiệt độ ở đây có thể tăng lên đến vài trăm độ, thậm chí đến khoảng trên dưới nghìn độ oC.
-Tần điện li (Ionosphere) có độ cao khoảng từ 80km đến khoảng 640 km.
Nhiệt độ tăng theo độ cao có thể lên đến 2000°C hoặc hơn. Tại đây, do có bức xạ của Mặt Trời nhiều phản ứng hóa học xảy ra, chúng bị ion hóa thành các ion như NO+, O+, O2+, NO3-
, NO2-...Tầng này chỉ chiếm khoảng 0,1% lượng không khí của bầu khí quyển Trái đất song nó lại có vai trò rất quan trọng đối với việc truyền sóng vô tuyến.
Tầng điện li lại được chia thành các lớp D, E và F: Lớp D nằm trong khoảng độ cao từ 50 đến 90 km, lớp E nằm ở độ cao từ 90 đến 120 km và được đặc trưng bởi sự tăng nồng độ electron theo độ cao vào ban ngày; nồng độ cực đại nằm ở độ cao khoảng 110 km. Lớp F bao gồm toàn bộ các lớp điện li ở độ cao trên 130 - 140 km và thường được chia thành 2 lớp phụ là F1 (150 - 200 km) và F2.
Tầng điện li có ảnh hưởng rất lớn đến sự truyền sóng vô tuyến, nhất là khi có bão từ. Bức xạ tại vùng bước sóng vi ba và ánh sáng thì đi qua lớp này một cách dễ dàng không bị phản xạ lại. Điều này tạo ra khả năng truyền tin qua vệ tinh và cả khả năng truyền năng lượng không dây từ vệ tinh năng lượng về Mặt đất [40-42].
- Tầng ngoài khí quyển (Exosphere) có độ cao từ 640 km đến 1280 km, nhiệt độ rất thấp.
Thành phần khí quyển Trái đất
Thành phần phần trăm của không khí khô theo thể tích - ppmv: phần triệu theo thể tích.
Chất khí Theo NASA
Nitơ 78,084%
Ôxy 20,946%
Agon 0,9340%
Điôxít cacbon
(CO2) 365 ppmv
Neon 18,18 ppmv
Hêli 5,24 ppmv
Mêtan 1,745 ppmv
Krypton 1,14 ppmv
Hiđrô 0,55 ppmv
Không khí ẩm thường có thêm
Hơi nước Dao động mạnh; thông thường khoảng 1%
Biểu đồ 2: Thành phần khí quyển Trái đất